WO1995001083A1 - Generateur de haute tension - Google Patents

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WO1995001083A1
WO1995001083A1 PCT/FR1994/000748 FR9400748W WO9501083A1 WO 1995001083 A1 WO1995001083 A1 WO 1995001083A1 FR 9400748 W FR9400748 W FR 9400748W WO 9501083 A1 WO9501083 A1 WO 9501083A1
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Gilbert Dauge
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Moulinex S.A.
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64Heating using microwaves
    • H05B6/66Circuits
    • H05B6/666Safety circuits

Definitions

  • the present invention relates to a high voltage generator intended for supplying at least one load of use of the unidirectional type such as, for example, a magnetron or an electronic tube and comprising a step-up voltage transformer ⁇ both a primary stage connected to a primary circuit, and a secondary stage having a winding connected to a secondary circuit comprising the load of use, said primary circuit being connected to a source of electrical energy and comprising electrical switching means tronic so as to supply said transformer with high frequency current.
  • the unidirectional type such as, for example, a magnetron or an electronic tube
  • a step-up voltage transformer ⁇ both a primary stage connected to a primary circuit, and a secondary stage having a winding connected to a secondary circuit comprising the load of use said primary circuit being connected to a source of electrical energy and comprising electrical switching means tronic so as to supply said transformer with high frequency current.
  • Generators are also known where, on the same ferrite of the transformer, a second secondary winding is connected connected by its terminals to a capacitor so as to produce a series resonance tuning circuit.
  • the object of the present invention is the realization of a transformer at a reduced price, which is perfectly suited for use in a high voltage generator for microwave ovens and capable of mass production.
  • the primary stage of the transformer comprises a first and a second winding, said primary circuit being connected to the first winding and, by means of a capacitor, to the second winding, said second winding being mounted in series with the first winding at the terminals of the capacitor, so as to produce an oscillating circuit.
  • an excellent coupling is obtained, particularly between the first primary winding and the resulting resonant circuit, as well as a weak leakage choke in front of the magnetization choke.
  • FIG. 1 is a view of the electrical diagram of the transformer and of the resonant circuit according to the invention
  • FIG. 2 and 3 are sectional views of different your geometry for producing a transformer according to the invention
  • - Figure 4 is an equivalent diagram of a resonance transformer of the known type
  • - Figures 5 and 6 are schematic views of two alternative embodiments of the secondary circuit in a generator according to the invention.
  • the generator uses a series resonance transformer whose operation is particularly adapted to a primary circuit comprising switching means consisting of switches of the IGBT or MCT type.
  • the high-voltage generator is intended for supplying one or possibly several loads of the unidirectional type such as, for example, a magnetron of a microwave oven or an electronic tube, and comprises a voltage-boosting transformer.
  • a primary stage E- ⁇ connected to a primary circuit and a secondary stage E 2 having a winding L 3 connected to a secondary circuit s 0 ' s ⁇ comprising the load of use, said primary circuit connecting the primary stage E ⁇ of the transformer T to a source of electrical energy B Q , B- * L and comprising switching means K so as to supply the transformer T with high frequency current.
  • Generators comprising transformers with parallel resonance where the switches, in parallel with a diode, and mounted in the primary circuit, carry out a so-called zero voltage switching.
  • a "current tail” persists due to normal carriers and which causes non-dissipative heat dissipation. negligible in these components.
  • a so-called zero current commu ⁇ tion is carried out, and this drawback is avoided.
  • a series resonance transformer that is to say a transformer with self-inductance leakage on a capacity, is generally presented as an element of inductive type for low frequencies and of resonant type when the frequency rises.
  • Such an element results from the association of a perfect transformer TP, a self-inductance L and a capacity C.
  • the primary stage E- of the transformer T comprises a first and a second winding L lf L 2 , the primary circuit being connected on the one hand to the first winding L- ⁇ and, on the other hand, by l 'through a capacity C, to the second winding L 2 , said second winding L 2 being mounted in series with the first winding L- ⁇ at the terminals of the capacity C, so as to produce an oscillating circuit.
  • a transformer having a primary winding provided with an intermediate plug and a plug at each end.
  • the primary circuit connects an end socket and the intermediate socket to the energy source B Q BL and the two end sockets are connected together by the capacity C.
  • the inductances of the two windings L * ⁇ and L 2 constituted respectively by the winding on either side of the intermediate socket, are in series in the oscillating circuit which includes the capacitance C.
  • the high frequency resonance transformer series incorporates the self L and the transformer TP on the same magnetic circuit and thanks to a particular geometrical arrangement of the windings on the magnetic circuit, couplings are produced between the windings which are adapted to the operation of the load capable of being used to be powered.
  • the winding of the secondary stage of the transformer must behave like an inductive circuit, in particular when it is connected to rectifying means com ⁇ carrying for example diodes, so as to limit the stresses on the diodes;
  • the choke L used to make the oscillating circuit must be fairly strongly coupled with the choke of the primary winding of the transformer T;
  • the value of the choke of the primary stage must be fairly low but the primary winding must however have a fairly large number of turns, in particular due to the maximum admissible induction, before saturation of the magnetic circuit;
  • the secondary winding must finally be geometrically separated, particularly to ensure good insulation of the high voltage of the secondary stage.
  • Such a transformer consists of three assembled coil carcasses and remains particularly expensive, especially in a mass production application.
  • FIGS. 2 and 3 which are embodiments of transformers according to the invention show a transformer T consisting of a ferrite 1, a carcass 2 comprising coils 3, 4 and 5 carrying the so-called primary windings L- ⁇ and L 2 and a secondary winding L 3 .
  • An arrangement of the windings L- ⁇ and L 2 in an embodiment as shown diagrammatically in FIG. 2 results in a relatively weak coupling between the windings L- ⁇ and L 2 .
  • the two windings of the primary stage have a mutual coupling coefficient of between 0.5 and 0.7 and have substantially equal self-inductance values. With such values of the coupling coefficient, an effective coupling coefficient of the order of 0.9 is reached.
  • the secondary circuit comprising a load of use can be produced according to several variations. Two particularly interesting versions for feeding a magnetron are illustrated in Figures 5 and 6.
  • the secondary cooked circuit comprises rectifying means.
  • the use load U has two supply terminals K * ⁇ , ⁇ connected, on the one hand, to a first terminal N - L of the secondary winding L 3 , respectively by two diodes D- ⁇ and D 2 polarized opposite to one another, and, on the other hand, to a second terminal N 2 of the secondary winding L 3 respectively by two capacitors C- ⁇ and C 2 .
  • the circuit comprises a magnetron M directly connected to the terminals of the secondary winding L 3 and a filtering capacity connected in parallel to the terminals of the ma ⁇ gnetron.
  • the capacitor Cf represented in FIG. 6 and which is connected in parallel to the magnetron M in fact represents the association of several capacitors, in particular of filtering capacitors and of capacitors internal to the magnetron.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Control Of High-Frequency Heating Circuits (AREA)

Abstract

La présente invention se rapporte à un générateur de haute tension destiné à l'alimentation d'une charge d'utilisation et comprenant un transformateur élévateur de tension comportant un étage primaire connecté à un circuit primaire, et un étage secondaire présentant un enroulement connecté à un circuit secondaire comprenant la charge d'utilisation, ledit circuit primaire reliant l'étage primaire du transformateur à une source d'énergie électrique et comportant des moyens de commutation de manière à alimenter le transformateur en courant haute fréquence. Selon l'invention, l'étage primaire comprend un premier et un second enroulement, ledit circuit primaire étant relié au premier enroulement et, par l'intermédiaire d'une capacité au second enroulement, ledit second enroulement étant monté en série avec le premier enroulement aux bornes de la capacité. L'invention s'applique à l'alimentation en haute tension des magnétrons de fours à micro-ondes.

Description

GENERATEUR DE HAUTE TENSION
La présente invention se rapporte à un généra¬ teur de haute tension destiné à l'alimentation d'au moins une charge d'utilisation du type unidirectionnel telle que, par exemple, un magnétron ou un tube électronique et comprenant un transformateur élévateur de tension compor¬ tant un étage primaire connecté à un circuit primaire, et un étage secondaire présentant un enroulement connecté à un circuit secondaire comprenant la charge d'utilisation, ledit circuit primaire étant relié à une source d'énergie électrique et comportant des moyens de commutation élec¬ tronique de manière à alimenter ledit transformateur en courant haute fréquence.
On connaît des générateurs où un circuit ré¬ sonnant est réalisé autour d'un circuit comprenant une self et une capacité et relié au primaire du trans¬ formateur. Une telle réalisation est particulièrement désavantageuse, notamment du point de vue du coût et en raison de la multiplicité des circuits magnétiques.
On connaît aussi des générateurs où sur la même ferrite du transformateur on réalise un second en- roulement secondaire relié par ses bornes à une capacité de manière à réaliser un circuit d'accord de résonnance série.
La réalisation de tels transformateurs se heurte à un certain nombre de difficultés tenant notam¬ ment aux exigences d'une bonne isolation de l'étage haute tension et à la réalisation de bobines permettant un cou¬ plage étroit entre l'étage primaire et l'enroulement du circuit de résonance.
Pour éviter la saturation de la ferrite du transformateur par le fait d'une induction trop forte, on est amené à augmenter la taille des ferrites et le nombre de spires de l'enroulement primaire. Par ailleurs, on essaie d'avoir pour le transformateur lui-même une self de fuite petite devant la self dite de magnétisation.
Toutes ces contraintes, liées à la nécessité d'un bon couplage du transformateur contribuent à aug¬ menter la taille et le prix de ce composant.
Le but de la présente invention est la réali¬ sation d'un transformateur d'un prix réduit, qui soit parfaitement adapté à une utilisation dans un générateur de haute tension pour four à micro-ondes et susceptible d'une fabrication en grande série.
Selon l'invention, l'étage primaire du trans¬ formateur comprend un premier et un second enroulement, ledit circuit primaire étant connecté sur le premier enroulement et, par l'intermédiaire d'une capacité, sur le second enroulement, ledit second enroulement étant monté en série avec le premier enroulement aux bornes de la capacité, de manière à réaliser un circuit oscillant.
Grâce à l'invention, on obtient un excellent couplage, particulièrement entre le premier enroulement primaire et le circuit résonnant résultant, ainsi qu'une self de fuite faible devant la self de magnétisation.
Les caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue du schéma électrique du trans- formateur et du circuit résonnant selon l'invention,
- les figures 2 et 3 sont des vues en coupe de différen- tes géo étries de réalisation d'un transformateur selon l'invention, - la figure 4 est un schéma équivalent d'un transforma¬ teur à resonnance du type connu, - les figures 5 et 6 sont des vues schématiques de deux variantes de réalisation du circuit secondaire dans un générateur selon l'invention.
Le générateur fait appel à un transformateur à resonnance série dont le fonctionnement est particulière¬ ment adapté à un circuit primaire comprenant des moyens de commutation constitués de commutateurs du type IGBT ou MCT.
Le générateur de haute tension est destiné à l'alimentation d'une ou éventuellement plusieurs charges du type unidirectionnel tel que, par exemple, un magnétron de four à micro-ondes ou un tube électronique, et comprend un transformateur élévateur de tension coro- portant, comme on peut le voir à la figure 1, un étage primaire E-^ connecté à un circuit primaire et un étage secondaire E2 présentant un enroulement L3 connecté à un circuit secondaire s 0'sι comprenant la charge d'utilisation, ledit circuit primaire reliant l'étage primaire E^ du transformateur T à une source d'énergie électrique BQ,B-*L et comportant des moyens de commutation K de manière à alimenter le transformateur T en courant haute fréquence.
On connaît des générateurs comprenant des transformateurs à resonnance parallèle où les commuta¬ teurs, en parallèle avec une diode, et montés dans le circuit primaire, réalisent une commutation dite à zéro tension. Néanmoins lors de l'ouverture du commutateur, il persiste une "queue de courant" due à des porteurs mi¬ noritaires et qui entraîne une dissipation de chaleur non négligeable dans ces composants. Dans un générateur avec transformateur à resonnance série, on réalise une commu¬ tation dite à zéro courant, et on évite cet inconvénient.
Un transformateur à resonnance série, c'est-à- dire un transformateur à self inductance de fuite sur une capacité, se présente en général comme un élément de type inductif pour les basses fréquences et de type résonnant lorsque la fréquence s'élève.
Un tel élément, comme schématisé à la figure 4, résulte de l'association d'un transformateur parfait TP, une self-inductance L et d'une capacité C.
Selon l'invention, l'étage primaire E- du transformateur T comprend un premier et un second enroulement LlfL2, le circuit primaire étant relié d'une part au premier enroulement L-^ et, d'autre part, par l'intermédiaire d'une capacité C, au second enroulement L2, ledit second enroulement L2 étant monté en série avec le premier enroulement L-^ aux bornes de la capacité C, de manière à réaliser un circuit oscillant.
Avantageusement, on pourra recourir à un transformateur présentant un enroulement primaire muni d'une prise intermédiaire et d'une prise à chaque extrémité. Le circuit primaire relie une prise d'extrémité et la prise intermédiaire à la source d'énergie BQ B-L et les deux prises d'extrémités sont reliées entre elles par la capacité C. Ainsi, les induc¬ tances des deux enroulements L*^ et L2, constitués respec¬ tivement par l'enroulement de part et d'autre de la prise intermédiaire, sont en série dans le circuit oscillant qui comporte la capacité C.
Le transformateur haute fréquence à resonnance série selon 1'invention intègre la self L et le transfor¬ mateur TP sur le même circuit magnétique et grâce à une disposition géométrique particulière des enroulements sur le circuit magnétique on réalise entre les enroulements des couplages adaptés au fonctionnement de la charge d'utilisation susceptible d'être alimentée.
Dans la réalisation d'un circuit résonnant à partir d'une self L et d'un condensateur C, pour un transformateur T d'un générateur de haute tension pour un four à micro-ondes, il est nécessaire de remplir cer¬ taines conditions et notamment :
- l'enroulement de l'étage secondaire du transformateur doit se comporter comme un circuit selfique, notamment lorsqu'il est relié à des moyens de redressement com¬ portant par exemple des diodes, de manière à limiter les contraintes sur les diodes ;
- la self L servant à réaliser le circuit oscillant doit être assez fortement couplée avec la self de l'enroulement primaire du transformateur T ;
- la valeur de la self de l'étage primaire doit être assez faible mais l'enroulement primaire doit cependant présenter un nombre de tours assez grand en raison notamment de l'induction maximale admissible, avant saturation du circuit magnétique ;
- l'enroulement secondaire doit enfin être géométrique¬ ment séparé, particulièrement pour assurer une bonne isolation de la haute tension de l'étage secondaire.
Pour obtenir un bon couplage entre les dif¬ férents enroulements, notamment entre l'enroulement pri¬ maire et l'enroulement de la self L du circuit d'accord, une solution serait de réaliser les enroulements sur des bobines cylindriques coaxiales.
Un tel transformateur est constitué de trois carcasses de bobines assemblées et reste particulièrement coûteux, surtout dans une application de grande série.
Conformément à l'invention , on pourra encore réaliser les deux enroulements des étages primaire et secondaire sur une seule carcasse, comme cela est illus¬ tré à la figure 2 et à la figure 3.
Les représentations schématiques des figures 2 et 3 qui sont des réalisations de transformateurs selon l'invention montrent un transformateur T constitué d'une ferrite 1, d'une carcasse 2 comprenant des bobines 3, 4 et 5 portant les enroulements dits primaires L-^ et L2 et un enroulement secondaire L3.
Une disposition des enroulements L-^ et L2 dans une réalisation telle que représentée schématiquement à la figure 2 entraîne un couplage relativement faible en¬ tre les enroulements L-^ et L2. Pratiquement, il est dif- ficile de dépasser un coefficient de couplage de l'ordre de 0,7.
Néanmoins, le fait d'avoir selon 1'invention une partie commune entre le circuit primaire et le cir- cuit résonnant constitué de la capacité C et des enroule¬ ments L-L et L2 entraîne le couplage effectif élevé entre le "primaire" vu entre les bornes BQ et B-^ et la self- inductance L-*L + L2 du circuit résonnant.
Les deux enroulements de l'étage primaire ont un coefficient de couplage mutuel compris entre 0,5 et 0,7 et présentent des valeurs de self-inductance sensi¬ blement égales. Avec de telles valeurs du coefficient de couplage, on atteint un coefficient de couplage effectif de l'ordre de 0,9. Le circuit secondaire comprenant une charge d'utilisation peut être réalisé selon plusieurs va¬ riantes. Deux versions particulièrement intéressantes pour l'alimentation d'un magnétron sont illustrés aux figures 5 et 6.
Selon une première version (fig. 5) , le cir¬ cuit secondaire comprend des moyens de redressement. La charge d'utilisation U présente deux bornes K*^,^ d'alimentation reliées, d'une part, à une première borne N--L de l'enroulement secondaire L3, respectivement par deux diodes D-^ et D2 polarisées de façon opposée l'une par rapport à l'autre, et, d'autre part, à une seconde borne N2 de l'enroulement secondaire L3 respectivement par deux capacités C-^ et C2.
Dans une deuxième version, plus simple encore, le circuit comprend un magnétron M directement branché aux bornes de l'enroulement secondaire L3 et une capacité de filtrage branchée en parallèle aux bornes du ma¬ gnétron. La capacité Cf représentée à la figure 6 et qui est branchée en parallèle au magnétron M représente en fait l'association de plusieurs capacités, notamment de capacités de filtrage et de capacités internes au magnétron.
Ainsi, grâce à l'invention, il est possible d'avoir un bon couplage entre l'enroulement primaire du transformateur et le circuit résonnant tout en rendant possible une géométrie de réalisation des bobines parti¬ culièrement simple.
De surcroît, une induction modérée dans le circuit magnétique évite sa saturation trop rapide et permet de recourir à des ferrites de taille relativement modeste.

Claims

REVENDICATIONS
1. Générateur de haute tension destiné à l'alimentation d'au moins une charge d'utilisation du type unidirectionnel telle que, par exemple, un magnétron ou un tube électronique et comprenant un transformateur (T) élévateur de tension comportant un étage primaire (E-^) connecté à un circuit primaire, et un étage secondaire (E2) présentant un enroulement (L3) connecté à un circuit secondaire (SQJS-^) comprenant la charge d'utilisation, ledit circuit primaire reliant l'étage primaire (E- ) du transformateur (T) à une source d'énergie électrique (BQ^-^) et comportant des moyens de commutation (K) de manière à alimenter le transformateur en courant haute fréquence, caractérisé en ce que l'étage primaire (E^ du transfor¬ mateur (T) comprend un premier et un second enroulement (L1,L2) , le circuit primaire étant relié au premier enroulement (L-^) et, par l'intermédiaire d'une capacité (C) au second enroulement (L2) , ledit second enroulement (L2) étant monté en série avec le premier enroulement (L-*^) aux bornes de la capacité (C) , de manière à réaliser un circuit oscillant.
2. Générateur de haute tension selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les deux enroulements de l'étage primaire ont un coefficient de couplage mutuel compris entre 0,5 et 0,7 et présentent des valeurs de self-induc¬ tance sensiblement égales.
3. Générateur de haute tension selon la reven¬ dication l ou 2, caractérisé en ce que les deux enroulements des étages primaire et secondaire sont réalisés sur une seule car- casse.
4. Générateur de haute tension selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit secondaire comprend en outre des moyens de redressement.
5. Générateur de haute tension selon la reven¬ dication 4, caractérisé en ce que la charge d'utilisation (U) présente deux bornes d'alimentation (M1,M2) reliées, d'une part, à une première borne (N-^) de l'enroulement secondaire (L3) par respectivement deux diodes de redressement (DlfD2) polarisées de façon opposée l'une par rapport à 1•autre, et, d'autre part, à une seconde borne (N2) de l'enroulement secondaire (L3) respective- ment par deux capacités (C1,C2) .
6. Générateur de haute tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit secondaire comprend une capacité de filtrage branchée en parallèle aux bornes d'un magnétron.
7. Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commutation sont des commutateurs du type IGBT ou MCT.
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