EP2134959A2 - Pilotage optimal a la frequence de resonance d'un resonateur d'un allumage radiofrequence - Google Patents

Pilotage optimal a la frequence de resonance d'un resonateur d'un allumage radiofrequence

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EP2134959A2
EP2134959A2 EP08762068A EP08762068A EP2134959A2 EP 2134959 A2 EP2134959 A2 EP 2134959A2 EP 08762068 A EP08762068 A EP 08762068A EP 08762068 A EP08762068 A EP 08762068A EP 2134959 A2 EP2134959 A2 EP 2134959A2
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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'alimentation d'un allumage radiofréquence, comprenant un circuit d'alimentation (2, 2') configuré pour appliquer sur une sortie connectée à un résonateur (1) de génération de plasma, une tension d'alimentation à une fréquence définie par un signal de commande (Vl) fourni par un dispositif de commande (5) du circuit d'alimentation, caractérisé en ce que le dispositif de commande comprend: - une interface (52) de réception d'une requête de détermination d'une fréquence de commande optimale, - une interface (51) de réception de signaux de mesure de la tension aux bornes d'une capacité (Cb) du circuit d'alimentation (2), - un module (53) de détermination de la fréquence de commande optimale, configuré pour fournir successivement différentes fréquences de commande au circuit d'alimentation pour des commandes d'allumage successives lors de la réception d'une requête et pour déterminer une fréquence de commande optimale en fonction des signaux de mesure reçus.

Description

PILOTAGE OPTIMAL A LA FREQUENCE DE RESONANCE D'UN RESONATEUR D'UN ALLUMAGE RADIOFREQUENCE
La présente invention concerne, de façon générale, les systèmes de génération de plasma entre deux électrodes d'une bougie, utilisés notamment pour l'allumage radiofréquence commande d'un mélange gazeux dans des chambres de combustion d'un moteur à combustion interne . Pour une telle application à l'allumage automobile à génération de plasma, des circuits de génération de plasma intégrant des bobines-bougies sont utilisées pour générer des décharges multi-filamentaires entre leurs électrodes, permettant d'initier la combustion du mélange dans les chambres de combustion du moteur. La bougie multi étincelles dont il est fait état ici est décrite en détail dans les demandes de brevet suivantes déposées au nom de la demanderesse FR 03-10766, FR 03-10767 et FR 03- 10768. En référence à la figure 1, une telle bobine-bougie est classiquement modélisée par un résonateur 1, dont la fréquence de résonance Fc est supérieure à 1 MHz, et typiquement voisine de 5 MHz. Le résonateur, disposé au niveau de la bougie, comprend en série une résistance R, une inductance L et une capacité C. Des électrodes d'allumage 10 et 12 de la bobine-bougie sont connectées aux bornes de la capacité C.
Lorsque le résonateur est alimenté par une haute tension à sa fréquence de résonance fc ≈ (1/ ) , l'amplitude aux bornes de la capacité C est amplifiée, permettant de développer des décharges multi- filamentaires entre les électrodes de la bougie, sur des distances de l'ordre du centimètre, à forte pression et pour des tensions de crête inférieures à 20 kV.
On parle alors d'étincelles ramifiées, dans la mesure où elles impliquent la génération simultanée d'au moins plusieurs lignes ou chemin d'ionisation dans un volume donné, leurs ramifications étant en outre omnidirectionnelles .
Cette application à l'allumage radiofréquence nécessite l'utilisation d'une alimentation, capable de générer des impulsions de tension, typiquement de l'ordre de 100 ns, pouvant atteindre des amplitudes de l'ordre de 1 kV, à une fréquence très proche de la fréquence de résonance du résonateur radiofréquence de la bobine- bougie. Plus la différence entre la fréquence de résonance du résonateur et la fréquence de fonctionnement de l'alimentation est réduite, plus le coefficient de surtension du résonateur (rapport entre l'amplitude de sa tension de sortie et sa tension d'entrée) est élevé.
Les figures 2 et 2bis illustrent schématiquement de telles alimentations . La figure 2 est détaillée par ailleurs dans la demande de brevet FR 03-10767. L'alimentation met classiquement en œuvre un montage dit « amplificateur de puissance Classe E ». Ce type de convertisseur DC/AC permet de créer les impulsions de tension avec les caractéristiques précitées.
Selon le mode de réalisation de la figure 2, l'alimentation comprend un circuit d'alimentation 2, respectivement présentant un transistor MOSFET de puissance M, utilisé comme interrupteur pour commander les commutations aux bornes du résonateur 1 de génération de plasma destiné à être connecté en sortie du circuit d' alimentation . Un dispositif de commande 5 du circuit d'alimentation génère un signal logique de commande Vl et applique ce signal sur la grille du transistor MOSFET de puissance M, à une fréquence qui doit être sensiblement calée sur la fréquence de résonance du résonateur 1.
Le système d'allumage radiofréquence constitué par le circuit d'alimentation 2 et le résonateur 1 est alimenté par une tension d'alimentation Vinter, prévue pour être appliquée par l'interrupteur M sur une sortie de du circuit d'alimentation, à la fréquence définie par le signal de commande Vl.
La tension d'alimentation Vinter est plus précisément fournie par l'intermédiaire d'un circuit résonant parallèle 4, comprenant une inductance Lp en parallèle avec une capacité Cp, et connecté entre une capacité Cb du circuit d'alimentation, chargée à la tension d'alimentation Vinter, et le drain de l'interrupteur M. La capacité Cb, chargée à la tension d'alimentation Vinter, permet notamment de stabiliser le courant lors d'une commande d'allumage.
La figure 2bis détaille une variante de l'alimentation de la figure 2 avec un transformateur T, permettant une isolation galvanique pour éviter les problèmes de masse au secondaire, l'inductance Lp formant alors le primaire du transformateur. Ce transformateur est à faible gain de l'ordre de 1,5 à 2.
A proximité de sa fréquence de résonance, le résonateur parallèle 4 transforme la tension d'alimentation Vinter en une tension amplifiée Va, correspondant à la tension d'alimentation multipliée par le coefficient de surtension du résonateur parallèle. C'est donc la tension d'alimentation amplifiée Va qui est appliquée sur la sortie du circuit d'alimentation au niveau du drain du transistor interrupteur M.
L'interrupteur M applique alors la tension d'alimentation amplifiée Va sur la sortie de l'alimentation, à la fréquence définie par le signal de commande Vl, que l'on cherche à rendre la plus proche possible de la fréquence de résonance de la bobine- bougie. En effet, lors d'une commande d'allumage, afin de pouvoir mettre en résonance le système d'allumage radiofréquence et maximiser ainsi le transfert d'énergie vers le résonateur formant la bobine-bougie, cette dernière doit être pilotée sensiblement à sa fréquence de résonance .
La présente invention vise à déterminer cette fréquence optimale de résonance de la bobine-bougie radiofréquence, afin de réaliser un pilotage optimal à cette fréquence de résonance de la bobine-bougie.
L'invention propose ainsi un dispositif d'alimentation d'un allumage radiofréquence, comprenant un circuit d'alimentation configuré pour appliquer sur une sortie destinée à être connectée à un résonateur de génération de plasma, une tension d'alimentation à une fréquence définie par un signal de commande fourni par un dispositif de commande du circuit d'alimentation, caractérisé en ce que le dispositif de commande comprend : une interface de réception d'une requête de détermination d'une fréquence de commande optimale,
- une interface de réception de signaux de mesure de la tension aux bornes d'une capacité du circuit d' alimentation, - un module de détermination de la fréquence de commande optimale, configuré pour fournir successivement différentes fréquences de commande au circuit d'alimentation pour des commandes d'allumage successives lors de la réception d'une requête et pour déterminer une fréquence de commande optimale en fonction des signaux de mesure reçus par l'interface de réception.
De préférence, le module de détermination de la fréquence de commande optimale est configuré pour déterminer une fréquence de commande optimale sensiblement égale à la fréquence de résonance du résonateur de génération de plasma.
Selon un mode de réalisation, le circuit d'alimentation comprend un interrupteur commandé par le signal de commande et connecté à la sortie.
De préférence, la capacité du circuit d'alimentation est chargée à la tension d'alimentation en début de chaque commande d'allumage.
Avantageusement, le module de détermination de la fréquence de commande optimale est configuré pour comparer deux valeurs successives d'écarts entre une valeur de la tension aux bornes de la capacité de l'alimentation en début de commande d'allumage et une valeur de la tension aux bornes de la capacité de l'alimentation en fin de commande d'allumage, pour modifier la fréquence de commande dans un premier sens si la différence entre les valeurs successives d'écarts présente un premier signe et déterminer que la précédente fréquence de commande est la fréquence de commande optimale si la différence entre les valeurs successives présente un second signe. L'invention concerne aussi un dispositif d'allumage radiofréquence comprenant un dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes et un résonateur de génération de plasma connecté à la sortie du dispositif d'alimentation.
Avantageusement, le résonateur de génération de plasma est adapté pour réaliser un allumage dans l'une des mises en œuvre suivantes : allumage commandé de moteur à combustion, allumage dans un filtre à particules, allumage de décontamination dans un système de climatisation.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est un schéma d'un résonateur modélisant une bobine-bougie radiofréquence de génération de plasma; - la figure 2 est un schéma illustrant une alimentation, utilisée pour la commande du résonateur de la bobine bougie de la figure 1;
- la figure 2bis est une variante de l'alimentation de la figure 2 ; - la figure 3 est un exemple d' algorithme de détermination de la fréquence de résonance de la bobine- bougie .
Comme on l'a vu, pour que l'allumage puisse avoir lieu, il est nécessaire de déterminer une fréquence de commande optimale pour le signal de commande Vl, commandant l'interrupteur M pour l'application de la haute tension d'alimentation sur la sortie du circuit d'alimentation à laquelle est connecté le résonateur 1.
La fréquence de commande optimale pour l'application de la tension d'alimentation au résonateur de génération de plasma est une fréquence de commande se rapprochant le plus possible de la fréquence de résonance du résonateur.
Pour ce faire, le dispositif de commande 5 de l'alimentation comprend un module 53 de détermination de la fréquence de commande optimale permettant, lors de la réception d'une requête de détermination d'une fréquence de commande optimale sur une interface 52 prévue à cet effet, de déterminer et de fournir cette fréquence de commande optimale à un module 54, délivrant le signal de commande Vl à la fréquence déterminée sur une interface de sortie 55 du dispositif de commande à laquelle est connectée la grille de l'interrupteur M. L'interrupteur M applique alors la haute tension à la fréquence ainsi définie, en sortie du circuit d'alimentation à laquelle est connecté le résonateur de génération de plasma.
Il va maintenant être décrit plus en détail le processus de détermination de la fréquence de commande optimale mis en œuvre par le dispositif de commande, lors de la réception d'une requête de détermination d'une fréquence de commande optimale.
Soit TCb (t) la tension aux bornes de la capacité Cb en fonction du temps .
A l'instant t=0, le signal de commande Vl est appliqué sur la grille de commande de l'interrupteur M, permettant ainsi l'application de la haute tension aux bornes du résonateur de la bobine-bougie, à la fréquence définie par le signal de commande Vl .
A l'instant t=D, consécutif à l'application de la haute-tension aux bornes du résonateur de la bobine- bougie pendant une durée D, l'étincelle se produit entre les électrodes de la bobine-bougie.
Lors d'une telle commande d'allumage, le résonateur radiofréquence de la bobine-bougie est piloté à sa fréquence de résonance si et seulement si l'écart, noté ΔTcb, entre la valeur de la tension aux bornes de la capacité Cb du circuit d' alimentation en début d'allumage, notée Tcb(O), (i.e. à l'instant t=0, où le signal de commande Vl est appliqué sur la grille de commande de l'interrupteur M) et en fin d'allumage, notée Tcb(D), (i.e. après une durée D d'application du signal de commande Vl au terme de laquelle l'étincelle se produit entre les électrodes de la bougie) est maximal. De préférence, les valeurs de tensions précitées utilisées pour le calcul de ΔTcb sont prises au carré.
Autrement dit, le résonateur 1 de génération de plasma radiofréquence est piloté à sa fréquence de résonance si et seulement si :
ΔTcb = ( [Tcb (0) ] 2-[Tcb(D) ] 2) est maximal. Aussi, le module 53 de détermination de la fréquence de commande optimale relève, lors d'allumages successifs, une mesure électrique de la tension aux bornes de la capacité Cb de l'alimentation en début d'allumage et en fin d'allumage, par l'intermédiaire d'une interface 51 de réception de tels signaux de mesure .
Ces mesures électriques de la valeur de la tension aux bornes de la capacité Cb en début et en fin d'allumage lors d'allumages successifs vont alors permettre, sur la base des principes exposés plus haut et comme il sera vu plus en détail par la suite, de déterminer une fréquence de commande optimale pour le pilotage du résonateur de génération de plasma, correspondant sensiblement à la fréquence de résonance du résonateur. La fréquence de commande optimale est alors mémorisée, puis utilisée comme fréquence de commande pour l'interrupteur M, lors d'une phase de fonctionnement normal du dispositif d'allumage radiofréquence, durant laquelle un plasma doit être généré entre les électrodes de la bobine-bougie.
Le dispositif de génération de plasma peut comprendre un résonateur de génération de plasma adapté pour réaliser un allumage commandé de moteur à combustion, adapté pour réaliser un allumage dans un filtre à particules ou adapté pour réaliser un allumage de décontamination dans un système de climatisation. La figure 3 illustre un exemple d'algorithme de détermination d'une fréquence de commande optimale correspondant à la fréquence de résonance du résonateur.
Lors d'une étape 101, on vérifie qu'une requête de détermination de la fréquence de résonance Fc du résonateur a été reçue.
En l'absence d'une telle requête, on passe à l'étape 109 et un plasma est généré par le résonateur 1 en utilisant la fréquence de commande optimale pour l'application de la haute tension sur le résonateur 1 par l'interrupteur M. L'interrupteur M est alors commandé pour appliquer sur le résonateur 1 une tension adéquate pour la génération d'un plasma, de façon connue en soi.
En présence d'une requête de recherche de la fréquence de résonance, la capacité Cb de l'alimentation est chargée à la tension Tct>(0) prévue pour être appliquée par l'interrupteur M sur le résonateur 1 lors de l'étape 102 pour commander un allumage. Cette tension est appliquée à une fréquence de commande Ftemp prédéterminée, choisie par exemple égale à Fmin, correspondant à la fréquence minimale de pilotage du résonateur de génération de plasma radiofréquence . Lors de l'étape 103, on réalise une mesure Tcb(D) de la tension aux bornes de la capacité Cb de l'alimentation après une durée D d'application du signal de commande Vl sur la grille de commande de l'interrupteur M à la fréquence Ftemp. Lors de l'étape 104, à partir des signaux de mesure Tct>(0) et Tcb(D) reçus sur l'interface de réception, l'écart ΔTcb entre la valeur au carré de la tension aux bornes de la capacité Cb en début d'allumage Tcb(0) et de la tension aux bornes de la capacité Cb en fin d'allumage TCb(D), est calculé et comparé à une référence ΔTref, dont la valeur initiale est choisie par exemple égale à 0 lors d'une phase d'initialisation de cette référence exécutée à l'étape 102.
Si l'écart calculé ΔTcb dépasse la référence ΔTref, la référence ΔTref est tout d'abord mise à jour avec la valeur ΔTcb précédemment calculée lors de l'étape 105.
On vérifie également lors de l'étape 106 que la valeur courante de la fréquence de commande Ftemp est inférieure à Fmax, correspondant à la fréquence maximale de pilotage du résonateur de génération de plasma radiofréquence . Si la valeur Ftemp ne dépasse pas Fmax, la valeur de la fréquence de commande Ftemp est augmentée d'un certain pas de fréquence ΔF lors de l'étape 107.
Pour plus de détail sur le calcul du pas de fréquence utilisé pour augmenter la valeur courante de la fréquence de commande, il est demandé au lecteur de se reporter au contenu de la demande de brevet français n°05 12769, déposée au nom de la demanderesse.
Les étapes 102 à 104 sont alors répétées avec les nouvelles valeurs de Ftemp et ΔTref. Lorsqu'on a déterminé à l'étape 104 que l'écart ΔTcb est inférieur à la référence ΔTref, on détermine que la fréquence de commande optimale du résonateur était la précédente fréquence de commande. Lors de l'étape 108, on met à jour la fréquence de commande avec sa valeur précédente et on fixe la fréquence de commande optimale du résonateur à cette valeur, correspondant alors sensiblement à la valeur de la fréquence de résonance Fc du résonateur de génération de plasma.
La fréquence de commande optimale Fc ainsi déterminée peut alors être utilisée pour la génération de plasma à l'étape 109.
L'algorithme qui vient d'être décrit mis en œuvre par le module 53 du dispositif de commande 5 permet alors d'obtenir un pilotage optimal en fréquence de résonance du résonateur de génération de plasma.

Claims

Revendications
1. Dispositif d'alimentation d'un allumage radiofréquence, comprenant un circuit d'alimentation (2) configuré pour appliquer sur une sortie destinée à être connectée à un résonateur (1) de génération de plasma, une tension d'alimentation à une fréquence définie par un signal de commande (Vl) fourni par un dispositif de commande (5) du circuit d'alimentation, ledit circuit d'alimentation comprenant un circuit résonant parallèle (4) connecté entre une capacité (Cb) dudit circuit d'alimentation et le drain d'un transistor interrupteur commandé par ledit signal de commande (Vl) et connecté à ladite sortie, caractérisé en ce que le dispositif de commande comprend :
- une interface (52) de réception d'une requête de détermination d'une fréquence de commande optimale,
- une interface (51) de réception de signaux de mesure de la tension aux bornes d'une capacité (Cb) du circuit d'alimentation (2),
- un module (53) de détermination de la fréquence de commande optimale, configuré pour fournir successivement différentes fréquences de commande au circuit d'alimentation pour des commandes d'allumage successives lors de la réception d'une requête et pour déterminer une fréquence de commande optimale en fonction des signaux de mesure reçus par l'interface de réception.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de détermination de la fréquence de commande optimale est configuré pour déterminer une fréquence de commande optimale sensiblement égale à la fréquence de résonance du résonateur de génération de plasma .
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la capacité (Cb) du circuit d'alimentation est chargée à la tension d'alimentation en début de chaque commande d'allumage.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module (53) de détermination de la fréquence de commande optimale est configuré pour comparer deux valeurs successives d'écarts entre une valeur de la tension aux bornes de la capacité (Cb) de l'alimentation en début de commande d'allumage et une valeur de la tension aux bornes de la capacité (Cb) de l'alimentation en fin de commande d'allumage, pour modifier la fréquence de commande dans un premier sens si la différence entre les valeurs successives d'écarts présente un premier signe et déterminer que la précédente fréquence de commande est la fréquence de commande optimale si la différence entre les valeurs successives présente un second signe.
5. Dispositif d'allumage radiofréquence comprenant un dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes et un résonateur (1) de génération de plasma connecté à la sortie du dispositif d'alimentation.
6. Dispositif d'allumage radiofréquence selon la revendication 6, dans lequel le résonateur de génération de plasma est adapté pour réaliser un allumage dans l'une des mises en œuvre suivantes : allumage commandé de moteur à combustion, allumage dans un filtre à particules, allumage de décontamination dans un système de climatisation.
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