FR2893788A1 - Alimentation electrique haute tension et reacteur a plasma - Google Patents

Abstract

Dispositif d'alimentation (1) haute tension d'impulsion alternative d'énergie déterminée, comprenant deux transformateurs (2, 5) pourvus chacun d'un primaire et d'un secondaire, les deux secondaires (4, 7) étant connectés en série, et deux alimentations à retournement (9, 10), chacune utilisant comme élément inductif le primaire d'un transformateur.

Description

1

Alimentation électrique haute tension et réacteur à plasma. La présente invention concerne le domaine des alimentations électriques haute tension recevant de l'énergie électrique à très basse tension. L'invention concerne plus particulièrement les alimentations embarquées à bords de véhicules et soumises à de sévères contraintes de masse, de volume, de fiabilité et de coût. L'invention concerne plus particulièrement les alimentations électriques pour réacteurs à plasma. L'alimentation d'un réacteur à plasma peut être effectuée par un générateur continu exigeant des diodes haute tension coûteuses. Par ailleurs, la tension continue induit des risques d'arc électrique destructeur des électrodes, et produit un plasma chaud. L'alimentation d'un réacteur à plasma peut être effectuée par un générateur à tension alternative avec barrière diélectrique, susceptible de créer un plasma froid, mais extrêmement coûteux. Le document FR-A-2 477 793 décrit une alimentation électrique de générateur d'ozone. L'alimentation comprend un transformateur dont le primaire est relié à un pont à thyristors recevant du courant continu. La tension fournie sera trop faible ou la construction du transformateur très onéreuse en raison d'un rapport de transformation trop élevé. Le document EP-A-230 850 décrit un générateur haute tension impulsionnel comprenant un transformateur élévateur de tension, un pont à diodes de redressement, une capacité de filtrage et un commutateur à haute tension. Les diodes du pont redresseur et les thyristors du commutateur sont soumis à la haute tension. Dans le cas d'un commutateur à électrodes tournantes, la durée de vie du générateur risque d'être réduite par l'usure rapide des électrodes. En outre, de telles électrodes tournantes génèrent des parasites susceptibles de nuire au fonctionnement d'autres appareils.

2 Le document EP-A-385 845 décrit une alimentation électronique d'un tube à décharge. L'alimentation comprend un hacheur abaisseur de tension continue, un condensateur de forte capacité, un onduleur, un transformateur et un pont à diodes de redressement. Les diodes du pont redresseur sont soumises à la haute tension. La tension fournie sera trop faible ou la construction du transformateur très onéreuse en raison d'un rapport de transformation trop élevé. Le document US-B-6 883 507 décrit un système pour générer et entretenir une décharge électrique en couronne pour l'ignition d'un mélange gazeux combustible dans une chambre de combustion. Le système comprend un circuit de tension continue de 100 à 400 volts alimenté par un premier transformateur élévateur de tension, un circuit de tension alternative de 1000 à 5000 volts alimenté par un deuxième transformateur élévateur de tension, et un résonateur LC pour fournir une tension alternative de 50000 à 500000 volts. Le système est particulièrement lourd, complexe, encombrant et onéreux, notamment en raison de la présence de deux transformateurs et d'un redresseur de 100 à 400 volts utilisant généralement des diodes coûteuses. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des dispositifs évoqués ci-dessus. La présente invention a pour but de proposer un générateur de haute tension alternative économique, de faible encombrement, fiable et de masse raisonnable. Le dispositif d'alimentation haute tension d'impulsion alternative d'énergie est du type comprenant deux transformateurs pourvus chacun d'un primaire et d'un secondaire, les deux secondaires étant connectés en série, et deux alimentations à retournement chacune utilisant comme élément inductif le primaire d'un transformateur. La connexion en série des secondaires permet d'augmenter la tension de

3 sortie. Les alimentations commandées de façon alternée permettent un fonctionnement par retournement de tension ("flyback" en langue anglaise). Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un module de commande des deux alimentations à retournement. Un seul module de commande peut servir à générer les signaux de commande de deux alimentations à retournement. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un module de commande alternative des deux alimentations à retournement, ledit module de commande fournissant deux signaux en opposition de phase de telle sorte que les alimentations à retournement sont alternativement chargées. On obtient ainsi un excellent fonctionnement par retournement. Dans un mode de réalisation, le module de commande comprend un oscillateur, un élément d'inhibition de l'oscillateur, et des bascules de remise à zéro des signaux de sortie en cas d'inhibition. Le module de commande peut être réalisé de façon discrète ou intégrée. Dans ce dernier cas, le module de commande peut comprendre un microprocesseur de génération des signaux de commande.

Dans un mode de réalisation, chaque alimentation à retournement comprend un limiteur de tension et un interrupteur. Avantageusement, ladite inductance est constituée par le primaire correspondant du transformateur et les inductances parasites. Le limiteur de tension peut comprendre une diode Zener. En d'autres termes, chaque élévateur de tension peut comprendre un transistor de puissance et une diode Zener associés à un primaire de transformateur. Dans un mode de réalisation, le transformateur présente un rapport de transformation compris entre 20 et 500, de préférence entre

4 50 et 200. Le dimensionnement et le coût du transformateur restent modérés. En d'autres termes, le dispositif comprend deux transformateurs et deux circuits de charge en courant, chacun alimentant un primaire de transformateur. Les secondaires sont reliés en série. Les circuits de charge en courant sont actifs en opposition de phase partielle ou complète. Chaque circuit de charge en courant comprend un interrupteur. On forme ainsi des alimentations à retournement.

Le dispositif peut être utilisé pour l'alimentation d'un réacteur à plasma. Le réacteur à plasma peut faire partie d'un système de traitement d'air, d'un système de stérilisation d'un climatiseur, d'un système de traitement des gaz d'échappement, d'un système de destruction des particules de suie sur une ligne d'échappement, etc.

Le procédé d'alimentation haute tension d'impulsion alternative d'énergie, comprend l'alimentation alternative de deux primaires de deux transformateurs pour obtenir un fonctionnement par retournement de tension, les deux secondaires des transformateurs étant connectés en série pour additionner les tensions de sortie de chaque secondaire.

Dans un mode de réalisation, les durées d'alimentation des deux primaires sont égales. Dans un mode de réalisation, l'alimentation alternative est effectuée au moyen de transistors commandés par des signaux inversés. La commande peut être de structure simple.

Grâce à l'invention, on obtient une haute tension impulsionnelle avec un dispositif simple comprenant des composants électroniques basse tension relativement économiques. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif selon un premier mode de réalisation; 5 -la figure 2 est un chronogramme des signaux du dispositif de la figure 1; et -la figure 3 est une vue schématique de la commande du dispositif de la figure 2. Comme on peut le voir sur la figure 1, le dispositif d'alimentation 1 comprend un transformateur 2 pourvu d'un primaire 3, d'une inductance de fuite 11 et d'un secondaire 4 et un transformateur 5 pourvu d'un primaire 6, d'une inductance de fuite 31 et d'un secondaire 7. Les secondaires 4 et 7 des transformateurs 2 et 5 sont pourvus d'une borne commune. L'autre borne du secondaire 4 est reliée à la terre et l'autre borne du secondaire 7 est reliée à la sortie du dispositif d'alimentation 1, un condensateur 8 pouvant en outre être disposé entre la sortie et la masse. La capacité du condensateur 8 peut être de l'ordre de quelques dizaines de pF. La capacité est avantageusement constituée par les capacités structurelles du câble haute tension et du réacteur à plasma. Le dispositif d'alimentation 1 se complète par deux circuits identiques 9 et 10, reliés respectivement à l'une des bornes des primaires 3 et 6. L'autre borne des primaires 3 et 6 est reliée à une source de tension continue Valim, par exemple de l'ordre de quelques volts ou quelques dizaines de volts. Le circuit 9, 10 comprend un interrupteur 12, 32 et un limiteur de tension 13, 33. Le limiteur de tension peut être une diode Zener. L'interrupteur 12, 32 est relié à la masse d'une part, au point commun entre l'inductance 11, 31 et le limiteur de tension 13, 33 d'autre part, ainsi qu'à une entrée de

6 commande. Dans un état, l'interrupteur de commande 12, 32 court-circuite le limiteur de tension 13, 33 et forme donc un circuit fermé entre le point commun à l'inductance 11, 31 et au limiteur de tension 13, 33 et la masse. Dans l'état opposé, l'interrupteur 12, 32 se présente comme un circuit ouvert. Les transformateurs 2 et 5 ont un rapport de transformation de l'ordre d'une centaine. La self du primaire 3, 6 de transformateurs 2, 5 est utilisée comme élément actif d'un montage élévateur de tension obtenu par une succession de fermetures et d'ouvertures des circuits 9, 10 à une fréquence de quelques centaines d'Hz. La tension obtenue au primaire est alors de quelques centaines de volts. Par le rapport de transformation, la tension au secondaire atteint quelques dizaines de kV. Les deux primaires 3 et 6 des deux transformateurs 2 et 5 sont alimentés alternativement.

Les secondaires 4 et 7 sont connectés entre eux en série et le montage fonctionne par retour alternatif de tension. Les interrupteurs 12 peuvent comprendre un transistor de tension de puissance de faible tension. Les inductances 11 et 31 fonctionnellement font partie des circuits 9 et 10. Les inductances 11, 31 sont constituées par les selfs de fuite des transformateurs 2 et 5 ramenées au primaire. Pour la construction pratique du dispositif d'alimentation, l'on peut donc connecter un interrupteur 12, 32 et un limiteur de tension 13, 33 disposés en parallèle directement à une borne du primaire 3, 6. Lorsque le primaire d'un transformateur est en charge, le secondaire correspondant voit sa tension imposée par effet transformateur au produit de la tension d'alimentation du primaire par le rapport de transformation. Simultanément, le secondaire de l'autre transformateur produit par effet de retour de tension ou flyback

7 une impulsion de tension de même polarité et réciproquement lorsque les commandes sont inversées. Comme illustré sur la figure 2, la courbe du haut montre la commande des interrupteurs 12, 32 par deux signaux carrés en opposition de phase. La courbe du milieu montre la tension au point commun entre l'inductance 11 et le limiteur de tension 13. A la fin de la fermeture de l'interrupteur 12, le primaire 3 du transformateur 2 a atteint son courant maximal Ip max. Ce courant circule également dans l'inductance de fuite 11.

A l'ouverture de l'interrupteur 12, la coupure du courant induit aux bornes de la self 11 de fuite une surtension limitée par le limiteur 13. Cette surtension (limitée à la valeur de la tension Zener de la diode, par exemple 400 V) persiste jusqu'à ce que toute l'énergie stockée dans l'inductance de fuite soit dissipée dans le limiteur 13.

Pendant ce temps, le courant croît au secondaire 4. Lorsque le courant au primaire 3 devient nul, le courant au secondaire 4 atteint son maximum qui est sensiblement égal à Ipmax divisé par le rapport de transformation du transformateur 2 (par exemple 80). Le courant secondaire Is transfère l'énergie contenue dans la self magnétisante du primaire 3 vers la charge de type capacitif 8 reliée au secondaire 4 en générant un pic de tension très élevé. La surtension reste cependant limitée par le produit de la tension Zener (typiquement 400 V) et du rapport de transformation (typiquement 80), soit typiquement 32 kV.

Ainsi, le dispositif de génération de haute tension impulsionnelle alternative peut être composé de l'assemblage de deux alimentations à retournement utilisant comme élément inductif des transformateurs, dont les secondaires sont reliés en série de telle façon, qu'en commandant la mise en charge alternative et en

8 opposition de phase complète ou partielle des deux transformateurs, on génère au secondaire des tensions impulsionnelles successivement de polarités opposées. Les dispositifs de mise en charge des bobines peuvent être protégés des surtensions induites par les inductances de fuites des transformateurs. La protection contre les surtensions peut être réalisée par des diodes Zener. Un transformateur peut être en charge pendant que l'autre est en décharge. Sur la figure 3, est illustré un mode de réalisation d'un module de commande 14 prévu pour générer les commandes des interrupteurs 12 du dispositif d'alimentation 1. Le module de commande 14 comprend une entrée 15 recevant un signal de tension 1 pour l'activation du module de commande 14 et un signal 0 pour l'inhibition du module de commande 14, et deux sorties 16 et 17 prévues pour être reliées respectivement aux entrées de commande des circuits 9 et 10. Le module de commande 14 comprend deux bascules 18 et 19, un comparateur 20, une porte NAND 21 et un inverseur 22. L'entrée 15 est reliée à l'une des entrées de la porte 21 et aux entrées d'inhibition des bascules 18 et 19. Les entrées d'inhibition sont actives à réception d'un signal de niveau O. La sortie non-inverseuse de la bascule 18 est reliée à l'entrée de commande de la bascule 19. La sortie inverseuse de la bascule 18 est reliée à la sortie 16 et à l'entrée de commande de ladite bascule 18. La sortie inverseuse de la bascule 19 est reliée à la sortie 17 et la sortie noninverseuse de la bascule 19 n'est pas utilisée. La sortie de la porte 21 est reliée, d'une part, à l'entrée de l'inverseur 22 et, d'autre part, à un condensateur 23. Entre la sortie du

9 condensateur 23 et la sortie de l'inverseur 22, sont disposés une résistance 24 et un potentiomètre 25 permettant un réglage. La sortie de l'inverseur 22 est également reliée à l'entrée du comparateur 20 par l'intermédiaire d'une résistance 26. La sortie du condensateur 23 est de même reliée à l'entrée du comparateur 20 par l'intermédiaire d'une résistance 27. La sortie du comparateur 20 est reliée à la deuxième entrée de la porte 21 et aux entrées d'horloge des bascules 18 et 19. Le fonctionnement du module de commande 14 est le suivant. Lorsque le signal de commande reçu sur l'entrée 15 est à 0, la sortie de la porte 21 est à 1 quel que soit le signal reçu sur la deuxième entrée de ladite porte 21. L'entrée d'inhibition des bascules 18 et 19 voit un signal 0. Le fonctionnement des bascules 18 et 19 est inhibé et les sorties 16 et 17 voient toutes deux une tension 0. Lorsqu'un signal 1 est reçu sur l'entrée 15, la porte 21 fonctionne comme un inverseur pour le signal reçu sur sa deuxième entrée en provenance du comparateur 20. Les bascules 18 et 19 recopient sur leurs sorties noninverseuses respectives le signal reçu sur leurs entrées de commande respectives à chaque coup d'horloge reçu sur leurs entrées d'horloge respectives.

L'ensemble formé par le comparateur 20, la porte 21, l'inverseur 22, le condensateur 23, et les résistances 24 à 27 forment un circuit oscillant selon une fréquence qui peut être réglée par le potentiomètre 25 et fournit ainsi un signal d'horloge aux bascules 18 et 19 qui, recevant des signaux opposés sur leur entrée de commande, génèrent en sortie des signaux en opposition de phase. En effet, l'une des bascules reçoit en entrée sa propre sortie inverseuse et l'autre reçoit en entrée la sortie inverseuse de la première bascule. On peut ainsi générer de façon économique deux signaux en opposition de

10 phase, tout en garantissant leur inhibition lorsque le module de commande reçoit un signal 0 en entrée. On bénéficie ainsi d'une alimentation à haute tension impulsionnelle alternative dont les éléments actifs sont disposés du côté basse tension. Les éléments actifs peuvent consister en un transistor auquel est adjointe une diode Zener, ce qui s'avère particulièrement économique. L'alimentation peut être commandée par une commande assurant par construction l'inhibition de l'alimentation en cas de défaut ou de panne, et ce pour éviter la génération non souhaitée d'une haute tension.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1-Dispositif d'alimentation (1) haute tension d'impulsion alternative d'énergie déterminée, caractérisé par le fait qu'il comprend deux transformateurs (2, 5) pourvus chacun d'un primaire et d'un secondaire, les deux secondaires (4, 7) étant connectés en série, et deux alimentations à retournement (9, 10), chacune utilisant comme élément inductif le primaire d'un transformateur.

2-Dispositif selon la revendication 1, comprenant un élément de commande des deux alimentations à retournement (9, 10).

3-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un module de commande alternative (14) des deux alimentations à retournement, ledit module de commande fournissant deux signaux en opposition de phase de telle sorte que les alimentations à retournement sont alternativement chargées.

4-Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le module de commande comprend un oscillateur, un élément (21) d'inhibition de l'oscillateur, et des bascules (18, 19) de remise à zéro des signaux de sortie en cas d'inhibition.

5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque alimentation à retournement (9, 10) comprend un limiteur de tension et un interrupteur.

6-Dispositif selon la revendication 5, dans lequel ladite inductance est constituée par le primaire (3, 6) correspondant du transformateur (2, 5) et les inductances parasites.

7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le transformateur présente un rapport de transformation compris entre 20 et 500, de préférence entre 50 et 200.

8-Réacteur à plasma comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12

9-Procédé d'alimentation haute tension d'impulsion alternative d'énergie déterminée, dans lequel on alimente alternativement deux primaires de deux transformateurs pour obtenir un fonctionnement par retournement de tension, les deux secondaires des transformateurs étant connectés en série pour additionner les tensions de sortie de chaque secondaire.

10-Procédé selon la revendication 9, dans lequel les durées d'alimentation des deux primaires sont égales.

11-Procédé selon la revendication 9 ou 10, dans lequel l'alimentation alternative est effectuée au moyen de transistors commandés par des signaux inversés.