FR3037742A1 - Alimentation a decoupage a tres grande dynamique pour instruments de mesure - Google Patents

Abstract

Alimentation à découpage comprenant un convertisseur de puissance comportant un transformateur THT ayant un enroulement primaire relié à un circuit primaire recevant une tension d'entrée et un enroulement secondaire relié à un circuit secondaire délivrant une tension de sortie à une charge, le circuit primaire comprenant un contrôleur pour découper le courant circulant dans l'enroulement primaire via un élément de commutation et transférer sélectivement de l'énergie à l'enroulement secondaire et le circuit secondaire comprenant un condensateur de stockage délivrant à la charge cette énergie, un premier régulateur recevant la tension de sortie et délivrant un premier courant de commande pour le contrôleur via un élément d'isolation et un second régulateur recevant une tension de sortie auxiliaire image de la tension de sortie et délivrant pour le contrôleur un second courant de commande s'ajoutant au premier courant de commande pour éviter toute interruption du découpage du courant circulant dans l'enroulement primaire.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des alimentations à découpage pour instruments de mesure et elle concerne plus 5 particulièrement une alimentation à très grande dynamique compatible avec des réseaux de distribution d'énergie tant continus qu'alternatifs. Art antérieur Par alimentation à très grande dynamique, on entend une 10 alimentation compatible avec des réseaux continus de 120Vdc à 1600Vdc ou des réseaux alternatifs de 85Vac à 1150Vac. Dans une alimentation à découpage, la tension du réseau alternatif redressée et filtrée est « découpée » à une fréquence supérieure à celle du réseau par un élément de commutation de sorte que la tension au 15 secondaire du transformateur assurant l'isolation galvanique entre entrée et sortie présente une forme sensiblement carrée que des redressement et filtrage secondaires convertissent en tension continue. La régulation de cette tension continue de sortie au niveau constant souhaité est réalisée en agissant sur le rapport cyclique de l'élément de commutation. 20 La figure 4 illustre une alimentation à découpage de l'art antérieur à topologie Flyback fonctionnant en mode courant et à fréquence fixe, dite « à prélèvement sinusoïdal », depuis un réseau alternatif. Dans cette configuration, les condensateurs Cl et C2 recevant le secteur redressé ont une valeur quasi nulle et assurent essentiellement la compatibilité 25 électromagnétique (CEM). Le réservoir de stockage d'énergie C11 est donc placé au secondaire du transformateur d'énergie THT (dont la tension secondaire est redressée par la diode D11) et doit avoir une capacité suffisante (plusieurs mF) pour absorber l'ondulation du réseau alternatif. Comme il est connu, l'asservissement qui fait appel au mode courant de 30 l'alimentation est assuré par le régulateur PI (proportionnel-intégral) Z9 dont la constante de temps est très supérieure à une demi-période du secteur (le condensateur C9 ayant pour cela une grande valeur) et dont la tension de référence est donnée par le rapport des résistances R14 et R15 connectées en série aux bornes de la charge, entre la sortie et la masse, le courant de 35 consigne pour le contrôleur Z6 modulant la durée de conduction du transistor de découpage T1 étant fourni par le régulateur, via l'opto-coupleur Z8. 3037742 2 Si cette configuration standard d'alimentation donne globalement satisfaction en fonctionnement normal, elle souffre malheureusement de plusieurs limitations notamment en fonctionnement à vide ou lors du démarrage où, comme l'illustre la figure 5, la tension de sortie 10 peut varier fortement en dépassant la valeur de consigne de façon périodique entrainant alors un fonctionnement par intermittence du découpage du fait des arrêts et redémarrages successifs du contrôleur Z6 (courbe référencée 12). De même, comme l'illustre la figure 6, en cas de défaillance du réseau par absence de l'une des phases de ce réseau alternatif (courbe référencée 20 du réseau redressé), la prolongation pendant cette interruption de la conduction du transistor Tl au niveau haut sur plusieurs périodes de découpage (courbe référencée 22) entraine un arrêt du prélèvement d'énergie (courbe référencée 24), ce qui engendre un fonctionnement erratique de la régulation et un bruit audible.

Objet et définition de l'invention La présente invention propose de pallier ces inconvénients avec une alimentation à découpage dont le fonctionnement est stable malgré sa très grande dynamique en tension comme en courant. Un but de l'invention est 20 aussi de proposer une alimentation à découpage qui accepte en entrée un réseau continu comme un réseau alternatif monophasé ou triphasé. Encore un but de l'invention est de proposer une alimentation à découpage compatible avec différents types de configurations telles que celles connues sous les noms de « flyback », « forward » ou « push-pull ».

25 Ces buts sont atteints par une alimentation à découpage comportant un convertisseur de puissance, le convertisseur de puissance comportant un transformateur ayant un enroulement primaire relié à un circuit primaire recevant une tension d'entrée et un enroulement secondaire relié à un circuit secondaire délivrant une tension de sortie à une charge, 30 ledit circuit primaire comprenant un contrôleur de gestion pour découper le courant circulant dans ledit enroulement primaire via un élément de commutation et transférer sélectivement de l'énergie audit enroulement secondaire, ledit circuit secondaire comprenant un condensateur délivrant à ladite charge ladite énergie transférée au travers dudit transformateur et un 35 premier régulateur recevant ladite tension de sortie et délivrant un premier courant de commande pour ledit contrôleur de gestion via un élément 3037742 3 d'isolation, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un second régulateur recevant une tension de sortie auxiliaire image de ladite tension de sortie et délivrant pour ledit contrôleur de gestion un second courant de commande s'ajoutant au dit premier courant de commande, ledit second 5 régulateur étant configuré pour éviter toute interruption du découpage du courant circulant dans ledit enroulement primaire. Avec cette structure, on obtient une alimentation à découpage de topologie « flyback », « forward » ou « push-pull » au fonctionnement particulièrement stable malgré son possible raccordement à des réseaux de 10 distribution différents et quelles que soient les défaillances qu'elle a à subir au niveau de sa source comme de sa charge. De préférence, lesdits premier et second régulateurs sont des régulateurs « proportionnel et intégral », ledit second régulateur ayant une constante de temps au moins cinquante fois plus petite que ledit premier 15 régulateur. Avantageusement, ledit second régulateur comporte une consigne plus grande que celle dudit premier régulateur et déterminée pour n'être jamais atteinte en fonctionnement normal. De préférence, ladite tension de sortie auxiliaire est obtenue aux bornes d'un condensateur de liaison relié par une extrémité audit condensateur de stockage et par une autre extrémité à la cathode d'une diode de redressement dont l'anode est connectée audit enroulement secondaire. Pour limiter la baisse de la tension de sortie, deux diodes montées en 25 série sont disposées en parallèle dudit condensateur de liaison et pour en limiter la hausse, une résistance est montée en série avec des premier et second transistors reliés à ladite résistance par leur base, ledit premier transistor étant mis en parallèle dudit condensateur de liaison par sa jonction émetteur/collecteur et l'ensemble formé de ladite résistance avec la jonction 30 émetteur/collecteur dudit second transistor dont le collecteur est relié à sa base, étant mis en parallèle dudit condensateur de stockage. Pour limiter la puissance prélevée à chaque creux d'alternance en monophasé ou lors d'une perte de phase en polyphasé, il est prévu un circuit de prélèvement de courant configuré pour diminuer voire annuler la somme 35 des premier et second courants de commande délivrée au dit contrôleur de gestion en dessous d'un seuil déterminé de ladite tension d'entrée.

3037742 4 Avantageusement, ledit seuil déterminé est défini par un pont diviseur de tension alimentant la base d'un transistor dont le collecteur est en série avec une diode Schottky assurant le prélèvement desdits courants de commande tout en empêchant un renversement de courant.

5 Pour permettre une continuité de fonctionnement malgré une perte de phase, il est prévu un circuit de protection délivrant ladite tension d'entrée à partir d'un réseau de distribution d'énergie polyphasé avec conducteur neutre via un pont de redressement à diodes, ledit circuit de protection ayant une configuration de couplage en étoile, chacune des branches de ladite 10 étoile comportant en série une varistance et un thyristor de protection et le point de jonction desdites branches étant relié audit conducteur neutre également au travers d'une varistance et d'un thyristor de protection montés en série.

15 Brève description des dessins Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un exemple d'une alimentation électrique à très grande 20 dynamique selon l'invention, la figure 2 montre différentes formes d'ondes obtenues en sortie de l'alimentation de la figure 1 en l'absence de charge, - la figure 3 montre différentes formes d'ondes obtenues au niveau de l'alimentation de la figure 1 en l'absence d'une phase du réseau triphasé ou en présence du réseau monophasé, - la figure 4 est un exemple d'une alimentation électrique de l'art antérieur, - la figure 5 montre différentes formes d'ondes obtenues en sortie de l'alimentation de la figure 4 en l'absence de charge, et la figure 6 montre différentes formes d'ondes obtenues au niveau de l'alimentation de la figure 4 en l'absence d'une phase du réseau. Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel La figure 1 illustre une alimentation électrique à découpage conforme à l'invention et donc compatible avec tous les réseaux de distribution 35 d'énergie continus ou alternatifs triphasés ou non acceptant une très grande gamme de tension d'entrée de 85 Vac à 1150 Vac et de 120Vdc à 1600Vdc.

3037742 5 Cette grande dynamique de tension d'entrée comme de courant rend la réalisation de ce type d'alimentation particulièrement complexe notamment du fait d'un possible fonctionnement à vide de cette alimentation. Comme dans la structure de l'art antérieur, l'alimentation à découpage 5 selon l'invention comporte une topologie Flyback fonctionnant en mode courant et à fréquence fixe dite « à prélèvement sinusoïdal », depuis un réseau alternatif. Les condensateurs Cl et C2 du secteur redressé par un circuit de protection qui sera détaillé plus avant, ont une valeur quasi nulle et assurent essentiellement la compatibilité électromagnétique (CEM). Le 10 réservoir d'énergie (le condensateur de stockage Cil) est placé au secondaire du transformateur d'énergie THT (dont la tension est redressée par la diode D11 connectée à l'enroulement secondaire par son anode) et a une capacité suffisante pour absorber l'ondulation du réseau alternatif. L'asservissement en courant de l'alimentation est assuré par le régulateur PI 15 (proportionnel-intégral) Z9 et la constante de temps est très supérieure à une demi-période du secteur, et qui fournit, via l'opto-coupleur Z8, le courant de consigne pour le contrôleur Z6 modulant la durée de conduction du transistor de découpage Ti. Toutefois, lorsque l'alimentation à découpage est à vide, le 20 condensateur de stockage C11 qui peut être chargé dans un temps très court via la diode de redressement D11, présente une décharge très lente car seule la consommation propre de l'alimentation intervient sur la sortie et donc assure cette décharge. Pendant tout le laps de temps où la tension sur C11 est plus importante que la tension produite par D11, le découpage est 25 donc stoppé par la régulation et il n'y a plus d'énergie transférée au secondaire. Aussi, selon l'invention, la capacité à réguler à vide de cette alimentation à découpage est obtenue en prélevant la tension à réguler non pas sur la sortie principale aux bornes de C11 mais sur une sortie auxiliaire 30 ou « image » redressée par une diode D12 et filtrée par un condensateur C12. On notera que pour améliorer la régulation en régime transitoire, l'électrode négative de ce condensateur C12 est préférentiellement connectée à la cathode de la diode D11 plutôt qu'à la masse. En effet, le condensateur C12 se comporte alors comme un condensateur de liaison entre sortie principale et sortie image.

3037742 6 En outre, il est prévu en série avec une résistance R23 des premier T4 et second T3 transistors reliés à cette résistance par leur base, le transistor T4 étant mis en parallèle du condensateur C12 par sa jonction émetteur/collecteur et l'ensemble formé de la résistance R23 avec la jonction 5 émetteur/collecteur du transistor T3 dont le collecteur est relié à sa base, étant mis en parallèle du condensateur de stockage C11. De plus, deux diodes D13, D14 montées en série sont disposées en parallèle du condensateur C12. Avec cette configuration, sous certaines conditions imposées par les 10 diodes D13 et D14 et l'assemblage T3, T4, R23, si la sortie image est régulée, alors la sortie principale l'est aussi. Plus particulièrement, le rôle de D13 et D14 consistent à empêcher la sortie image de descendre de plus de deux seuils de diode au-dessous de la sortie principale et le rôle de T3 et T4 est d'empêcher la sortie image de monter de plus de quelques centaines de 15 mV au-dessus de la sorte principale. Alors que classiquement, l'asservissement de la sortie principale repose sur le seul régulateur Z9, avec l'invention, cet asservissement fait appel à deux régulateurs distincts : le régulateur principal Z9 pour la sortie principale et un régulateur auxiliaire Z10 pour la sortie image, les courants 20 produits par ces deux régulateurs s'additionnant à un noeud de sommation K. Ces deux régulateurs PI (proportionnel et intégral) ont toutefois des constantes de temps très différentes (dans un rapport supérieur à 50 et typiquement de l'ordre de 300 à 600), le régulateur principal ayant la lenteur voulue pour le fonctionnement en prélèvement sinus et ils ne sont pas calés 25 sur la même consigne, la consigne de Z9 étant inférieure à la consigne de Z10 de telle sorte que le régulateur auxiliaire est inopérant en régime établi, c'est-à-dire en l'absence de transitoires. On notera que si précédemment il a été fait référence à une information de tension du régulateur principal Z9 issue de la sortie principale rien d'interdit de prélever celle-ci sur la sortie 30 auxiliaire (liaison pointillée de la figure 1). Ainsi, en régime établi seul le régulateur principal Z9 participe au contrôle du primaire et au transfert d'énergie au secondaire, le régulateur auxiliaire Z10 voyant une tension inférieure à sa consigne, ne prélevant alors aucun courant au noeud de sommation K. Par contre, en régime transitoire, 35 comme au démarrage ou en cas de coupure de la charge, la consigne peut être dépassée et le régulateur auxiliaire Z10 « prend la main » et grâce à sa 3037742 7 faible constante de temps (le condensateur C12 est de faible valeur et la sortie image est chargée par des résistances fixes), peut corriger le primaire avant l'intervention du régulateur principal Z9. La régulation de tension devient donc possible sans interruption du découpage. Les différentes formes 5 d'onde de la figure 2 illustrent bien cette particularité avec la courbe 32 correspondant à la sortie principale, la courbe 30 à la sortie auxiliaire et la courbe 34 à la tension d'alimentation du contrôleur Z6 qui est maintenant parfaitement constante (à comparer à la courbe 12 précédente d'une alimentation de l'art antérieur sans régulateur auxiliaire).

10 De même, lorsque l'alimentation est raccordée à un réseau monophasé ou un réseau polyphasé avec absence d'une des phases, la tension redressée décrit des arches de sinusoïdes avec des passages périodiques par zéro (selon la fréquence du réseau). Aussi, lorsque le courant absorbé par la charge est constant, le courant transmis par l'opto- 15 coupleur Z8 qui est l'image du courant fournit à la charge est aussi constant. Or, ce courant qui forme la consigne du contrôleur Z6 varie peu dans le temps car la constante de temps de l'intégrateur Z9 est très supérieure à une demi-période secteur, de sorte que pendant un creux d'alternance secteur, les rampes de courant produites par le contrôleur Z6 ne peuvent atteindre 20 cette consigne fixe. La tension aux bornes du circuit primaire devient faible puis nulle et la self inductance primaire du transformateur ne peut plus être chargée pendant le temps imparti. Selon l'invention, il est donc aussi prévu de réduire la consigne des rampes de courant (donc la demande d'énergie) pendant le creux 25 d'alternance secteur au moyen d'un circuit de prélèvement de courant configuré pour diminuer ou annuler à certains moments la somme des premier et second courants de commande délivrée au contrôleur Z6 proportionnellement à l'amplitude du creux, en dessous d'un seuil déterminé de la tension d'entrée. Ce seuil est modulé par les arches de tension secteur 30 redressées puis transformées en courant par un transistor T2. Plus précisément, ce seuil déterminé est défini par un pont diviseur de tension R9, R10 alimentant la base du transistor T2 (la diode D15 étant là pour compenser le seuil Vbe de ce transistor T2) dont le collecteur est en série avec une diode Schottky D16 assurant le prélèvement des courants de 35 commande en entrée du contrôleur Z6. Le pilotage en courant, via une résistance R11, du transistor T2 est assuré par un amplificateur Z7 qui 3037742 8 amplifie une tension proportionnelle au secteur redressé (arches de tension atténuées) produite par un autre pont diviseur de tension R6, R7. On obtient ainsi, sans perturber le contrôleur principal Z9, une annulation complète de la durée de rampe au passage à zéro du secteur par 5 modulation de la consigne de courant. Le découpage est ainsi constamment maintenu comme le montre la courbe 40 de la figure 3. Cela revient à faire en sorte que la demande de puissance à transférer au secondaire soit réduite puis nulle puis ré-augmente au fur et à mesure que l'on sort de ce creux secteur (voir la courbe 42 de la figure 6 montant le courant de commande de 10 l'élément de commutation). Des condensateurs C3 et C7 en entrée et en contreréaction de l'amplificateur Z7 permettent de filtrer le résidu de découpage présent sur le secteur redressé afin qu'il ne perturbe pas le fonctionnement. A cet effet, le secteur redressé est avantageusement issue d'un circuit 15 de protection destiné à être raccordé au réseau de distribution d'énergie via le bornier de l'instrument de mesure que cette alimentation à découpage alimente. Ce circuit de protection est tolérant aux erreurs de raccordement en ce sens qu'il présente toujours le même niveau de protection contre les surtensions quelles que soient les erreurs de raccordement raisonnablement 20 admissibles comme une absence de phase ou une inversion phase/neutre. Selon l'invention, le circuit de protection délivrant la tension d'entrée à partir d'un réseau de distribution d'énergie polyphasé avec conducteur neutre via un pont de redressement à diodes Dl à D8, a une configuration de couplage en étoile avec chacune des branches de cette étoile comportant 25 en série une varistance VAR2 à VAR4 et un thyristor de protection Z2 à Z4 (par exemple un SIDACtor® de la société Littelfuse) et le point de jonction de ces branches est relié au conducteur neutre également au travers d'une varistance VAR1 et d'un thyristor de protection Z1 montés en série. Ainsi, quelles que soient les configurations de décharge (phase/phase, 30 phase/neutre), deux varistances se retrouvent en série, d'où une capacité d'absorption égale à celle qu'aurait une configuration en triangle mais avec deux fois moins de composants (6 contre 11). Avantageusement, le point de jonction des branches peut aussi être relié à la terre au travers d'une varistance VARS et d'un thyristor de protection Z5 montés en série.

3037742 9 On notera que bien que l'invention a été décrite en topologie flyback, les principes utilisés sont bien entendu transposables à une topologie forward ou même push-pull.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Alimentation à découpage comportant un convertisseur de puissance, le convertisseur de puissance comportant un transformateur THT ayant un enroulement primaire relié à un circuit primaire recevant une tension d'entrée et un enroulement secondaire relié à un circuit secondaire délivrant une tension de sortie à une charge, ledit circuit primaire comprenant un contrôleur de gestion (Z6) pour découper le courant circulant dans ledit enroulement primaire via un élément de commutation (T1) et transférer sélectivement de l'énergie audit enroulement secondaire, ledit circuit secondaire comprenant un condensateur de stockage (C11) délivrant à ladite charge ladite énergie transférée au travers dudit transformateur et un premier régulateur (Z9) recevant ladite tension de sortie et délivrant un premier courant de commande pour ledit contrôleur de gestion via un élément d'isolation (Z8) , caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un second régulateur (Z10) recevant une tension de sortie auxiliaire image de ladite tension de sortie et délivrant pour ledit contrôleur de gestion (Z6) un second courant de commande s'ajoutant audit premier courant de commande, ledit second régulateur (Z10) étant configuré pour éviter toute interruption du découpage du courant circulant dans ledit enroulement primaire.
2. 2. Alimentation à découpage selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premier et second régulateurs sont des régulateurs 25 « proportionnel et intégral », ledit second régulateur ayant une constante de temps au moins cinquante fois plus petite que ledit premier régulateur.
3. 3. Alimentation à découpage selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit second régulateur comporte une consigne plus grande que celle 30 dudit premier régulateur et déterminée pour n'être jamais atteinte en fonctionnement normal.
4. 4. Alimentation à découpage selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite tension de sortie auxiliaire est obtenue aux bornes d'un 35 condensateur de liaison (12) relié par une extrémité audit condensateur de stockage et par une autre extrémité à la cathode d'une diode de 3037742 11 redressement (D12) dont l'anode est connectée audit enroulement secondaire.
5. 5. Alimentation à découpage selon la revendication 4, caractérisée en 5 ce qu'elle comporte en outre, en parallèle dudit condensateur de liaison (C12), deux diodes montées en série (D13, D14).
6. 6. Alimentation à découpage selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre en série avec une résistance (R23), des premier 10 et second transistors (T4, T3) reliés à ladite résistance par leur base, ledit premier transistor (T4) étant mis en parallèle dudit condensateur de liaison (C12) par sa jonction émetteur/collecteur et l'ensemble formé de ladite résistance avec la jonction émetteur/collecteur dudit second transistor (T3) dont le collecteur est relié à sa base, étant mis en parallèle dudit 15 condensateur de stockage (C11).
7. 7. Alimentation à découpage selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un circuit de prélèvement de courant (Z7) configuré pour diminuer voire annuler la somme des premier et second 20 courants de commande délivrée au dit contrôleur de gestion en dessous d'un seuil déterminé de ladite tension d'entrée.
8. 8. Alimentation à découpage selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit seuil déterminé est définie par un pont diviseur de tension alimentant la base d'un transistor (T2) dont le collecteur est en série avec une diode Schottky (D16) assurant le prélèvement desdits courants de commande tout en empêchant un renversement de courant.
9. 9. Alimentation à découpage selon la revendication 1, caractérisée en 30 ce qu'elle comporte en outre un circuit de protection délivrant ladite tension d'entrée à partir d'un réseau de distribution d'énergie polyphasé (U, V, W) avec conducteur neutre (N) via un pont de redressement à diodes (D1 - D8), ledit circuit de protection ayant une configuration de couplage en étoile, chacune des branches de ladite étoile comportant en série une varistance 35 (VAR2 - VAR4) et un thyristor de protection (Z2 - Z4) et le point de jonction 3037742 12 desdites branches étant relié audit conducteur neutre également au travers d'une varistance (VAR1) et d'un thyristor de protection (Z1) montés en série.
10. 10. Alimentation à découpage selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ledit convertisseur de puissance est choisi parmi : un convertisseur « flyback », un convertisseur « forward », un convertisseur « push-pull ».