Brevet FR2296959A1 — publié le 19760730

la présente invention concerne un convertisseur a thyristor susceptible de eohvertir une énergie électrique continue en une énergie électrique alternative de fréquence assez élevée. Générale- ment, lorsque de tels convertisseurs sont utilisés, dans des dispositifs de chauffage par induction par exemple, les fréquences alternatives qu1 il doft fournir sont situées dans le domaine ultrasonique, entre 20 et 40 hilohertz. Les convertisseurs utilisés jusqu'alors pour fournir de telles énergies haute-fréquence, notamment dans des dispositifs de chauf- fage par induction, sont généralement alimentés en alternatif à partir du secteur, cette énergie étant redressée par un pont de diodes et filtrée de manière à-fournir l'énergie continue voulue au convertisseur proprement dit.Ce dernier comprend généralement un circuit oscillant qui. va engendrer l'énergie haute fréquence dont la fré- quence sera la fréquence propre du circuit oscillant, et un circuit découpeur constitué d'un thyristor et d'une diode montés tête bêche et en parallèle. te déclenchement du thyristor, par application d'une impulsion convenable sur sa gachette, provoque l'oscillation du circuit oscillant et la délivrance d'une période d'énergie haute fréquen ce, le thyristor conduisant pendant la première demi-période et la diode pendant la seconde. Un problème important se pose dès que l'on veut disposer de fréquences élevées tout en utilisant des thyristors d'un coût peu élevé, ce qui est par exemple souhaitable lorsque ces convertisseurs équipent des appareils domestiques de chauffage par induction dans lesquels le codt doit être aussi peu élevé que possible. Il se pose également lorsque l'on veut, à partir d'un thyristor d'une qualité donnée, augmenter la fréquence de l'énergie alternative fournie. En effet, les thyristors se bloquent théoriquement lorsque le courant qui les parcourt s 'annule ce qui, dans les convertisseurs dont il est question, se produit à la fin de la première demi-période d'une oscillation. in fait, il est connu que ce blocage n'est pas immédiat et ne se produit effectivement qutaprès un temps dit "de recouvrement" (ou "turn off time" en terminologie anglnire) sauvent désigné par "ToT". Il est évident que pour qu'une impulsion de déclenchement puisse venir déclencher le thyristor et provoquer la délivrance d'une nouvelle période d'énergie haute fréquence le circuit oscillant, il faut que ce thyristor ait d'abord été bloqué.Il est donc nécessaire que le temps pendant lequel cond la diode-du circuit découpeur soit supérieur au temps de recouv du thyristor. Ce temps de conduction de la diode correspondant à la deuxième demi-période de l'énergie haute fréquence engendr dans le circuit oscillant, il est clair que, pour un thyristor un temps de recouvrement donné, on ne peut pas augmenter à lois fréquence propre du circuit oscillant et donc la fréquence de l gie haute fréquence délivrée par le convertisseur. Cet inconvénient était un gros défaut des convertisseurs d l'art antérieur qui devaient, soit utiliser des thyristors coût ayant de faibles TOT pour pouvoir délivrer des fréquences élevé soit ne délivrer que des fréquences assez peu élevées. Un objet de l'invention est de réaliser un convertisseur à thyristor ne présentant pas cet inconvénient et susceptible, so délivrer des fréquences assez élevées avec des thyristors bon m soit de délivrer des fréquences très élevées avec des thyristor coflteux. Selon l'invention, un convertisseur d'énergie électrique c en énergie alternative haute fréquence, comportant un circuit o lant et un circuit découpeur comprenant lui-meme un thyristor e diode montés tête bêche et en parallèle, le circuit découpeur r l'énergie continue et comaandant, lorsqu'un signal de déclenche est appliqué au thyristor, la délivrance par le circuit oscilla de 11 énergie haute fréquence, est caractérisé en ce que, tandis circuit de conduction du thyristor comporte ledit circuit oscil le circuit de conduction de la diode comporte ledit circuit osc et une self inductance supplémentaire. Lorsqu'un tel convertisseur est utilisé dans un dispositif chauffage par induction, la self inductance supplémentaire du c de conduction de la diode peut avantageusement être couplée à c du circuit oscillant, ces deux selfs constituant alors ensemble ducteur transmettant la puissance à I'objet.b chauffer. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent - la figure 1 : le schéma simplifié d'un convertisseur de l'art antérieur - la figure 2 : le schéma simplifié d'un convertisseur selon l'invention - la figure 3 : des courbes représentant l'allure des courants en différents points du circuit de la figure 1 - la figure 4 : le schéma d'un convertisseur selon l'invention, particulièrement bien adapté à un dispositif de chauffage par induction - les figures 5 et 6 : le schéma de deux variantes de convertisseurs selon l'invention ; et - les figures 7 à il : des exemples de bobinage d'inducteurs de chauffage. On peut voir sur la figure I, un schéma classique de convertisseur de l'art antérieur fournissant, dans la self inductance d'un circuit oscillant C0 , une énergie haute fréquence servant par exemple à chauffer une pièce P conductrice de l'électricité par développement dans cette pièce de courants de Foucault. Cet exemple d'application classique d'un tel convertisseur d'énergie continue, tension E délivrée entre les bornes 1 et 2, en énergie alternative haute fréquence dans un circuit oscillant C0 sera donné tout au long de la description de l'invention. Il est entendu que les convertisseurs de l'invention ne se limitent pas à l'application chauffage ; quelques autres exemples d'application seront donnés à la fin de la description. 'l'énergie continue représentée par la tension E est appliquée aux bornes 3 et 4 d'un circuit découpeur constitué d'un thyristor Eh et d'une-diode D montés tête bêche et en parallèle. Une self de blocage h est connectée entre une des bornes de la source continue, I ici, et une des bornes 5 du circuit découpeur. Le circuit oscillant C , constitué ici d'un condensateur C et o d'une self L1 en série, est lui-même connecté aux bornes 3 et 4 du circuit découpeur. Un signal S de déclenchement, constitué d'impulsions se répètant à une fréquence dite "fréquence de déclenchement" est appliqué à la gachette du thyristor Th. Les impulsions de ce si, sont telles que lorsque le thyristor est convenablement polaris entre cathode et anode, elles provoquent sa conduction. Le fonctionnement d'un tel circuit est le suivant. Dans un premier temps, le condensateur C se charge sous une tension 2E, polarisant la borne 3 du circuit découpeur positivement par rap: à sa borne 4 ; la diode D est bloquée. Une impulsion du signal déclenchement S commande alors le déclenchement du thyristor Th met à conduire. Le courant I qui traverse le thyristor est la s du courant 100 délivré par le circuit oscillant et du courant t traversant la self LB soumise à un échelon de tension E, tant q le thyristor conduit. On peut voir sur la figure 3 l'allure de courants. Le courant 100 est un signal sinusoïdal dont la fréquence est la fréquence propre du circuit oscillant Co . Le courant IIj traversant la self Lg, croissant tant que le thyristor conduit, s'y ajouter pour donner I. Lorsque I s'annule, au bout d'un tem] un peu supérieur à t1 = t2/2 à cause de l'effet de la self le thyristor se bloque théoriquement. Le circuit oscillant étant dans la demi-période négative de son oscillation, la diode D se à conduire. Le courant I est ainsi constitué, dans sa première ternance, de t = O à t3, du courant ITh traversant le thyristor dans sa deuxième alternance, de t3 à t2, du courant ID traversait la diode. En fait, comme déjà dit, le thyristor ne se bloque pas dès le courant I s'annule, mais au bout d'un certain temps, qui est temps de recouvrement. il est clair, d'après la figure 3, qu'on peut pas augmenter la-fréquence propre du circuit oscillant C 1/t2 , au delà d'une valeur telle que le temps de recouvrement deviendrait supérieur à t2 t En d'autres termes, le temps pe lequel conduit la diode D doit toujours rester supérieur au te; recouvrement du thyristor. La figure 2 représente un convertisseur perfectionné selon l'invention, permettant d'augmenter la fréquence de l'énergie haute fréquence délivrée, tout en conservant un thyristor ayant un temps ile recouvrement important. Le perfectionnement de l'invention consiste à modifier le circuit de conduction de la diode T) de manière à allonger le temps pendant lequel conduit cette diode sans allonger le temps pendant lequel conduit le thyristor. Pour cela une self inductance supplémentaire L2 est introduite en série avec la diode D entre les bornes 3 et 4. le circuit de conduction de la diode D, c'est-à-dire le circuit dans lequel circule le courant ID, est alors constitué par le condensateur C et les deux selfs L1 et L2 en série, tandis que le circuit de conduction du thyristor Th, ctest-à-dire le circuit dans lequel circule le courant ITh, reste constitué du condensateur C et de la seule self 11 en série. 'le - circuit oscillant C a ainsi deux fréquences propres. Sa o première de ces deux fréquences correspond à la première alternance de l'oscillation, conduction du thyristor, et a pour valeur la deuxième correspond à la deuxième alternance, conduction de la diode, et a pour valeur On peut ainsi, en ajustant les valeurs de C et de L1 augmenter la première fréquence propre du circuit oscillant, c'est-à-dire diminuer la durée de la première alternance sans que, pour autant, la durée de la deuxième alternance devienne inférieure au temps de recouvrement du thyristor. il suffit de choisir la valeur de la self t2 pour que qui est la durée de cette deuxième alternance, soit plus grand que le temps de recouvrement TOT. On aura ainsi : La présence de la self L2 dans le circuit de conduction de diode D présente encore un avantage allant dans le même sens que résultat qui vient d'être décrit. En effet, pendant la deuxième alternance, lorsque la diode conduit, la self L2 produit une tension inverse aux bornes du th: Or il est connu que l'application d'une tension inverse entre le bornes d'un thyristor qui cesse de conduire diminue son temps de recouvrement. Mnsi, grâce à l'invention, on peut, soit continuer à utilis des thyristors bon marché tout en ayant des fréquences élevées d le circuit oscillant, soit en utilisant des thyristors de mille -qualité, avoir des fréquences plus élevées que dans les circuits l'art antérieur. On voit sur la figure 4 une disposition des selfs T1 et B2 particulièrement intéressante à utiliser lorsque le convertisseu: l'invention sert à des dispositifs de chauffage par induction. Le à chauffer P est ici représentée par son circuit électrique équi constitué d'une spire fermée par une résistance de charge R. 'les selfs B1 et L2 sont couplées et servent toutes deux à c: la pièce P. il en résulte une efficacité accrue du circuit et un diminution possible du cuivre des deux selfs. Sa figure 5 représente une variante d'utilisation d'un conv seur tel que celui de la figure 4 où un transformateur T dont le primaire est constitué par les deux selfs L1 et L2 couplées, per d'adapter l'impédance de la charge, pièce P à chauffer au conver le secondaire L3 du transformateur est fermé sur une bobine X4 s d1 inducteur. On voit sur la figure 6 une autre variante de réalisation d convertisseur de la figure 4, où la self de blocage LB est rempl par un thyristor T2 de manière à supprimer la partie de courant dûe à cette self dans le courant I du circuit découpeur lorsque thyristor Th conduit. Une self L5 est connectée entre le thyrist et la borne 3 du circuit découpeur de manière à limiter les vari de courant en fonction du temps vues par le thyristor T2. Un signal impulsionnel de déclenchement s est appliqué au thyristor T2 de manière à le laisser conduire pour charger le con densateur C ; lorsque le condensateur est chargé le courant s'annule ans le thyristor T2 qui se bloque. te signal S commande alors le déblocage du thyristor Th et l'oscillation haute fréquence se produit comme précédemment décrit. tes convertisseurs de l'invention sont, comme déjà dit, parti ulièrement bien adaptés pour équiper des dispositifs de chauffage, tant industriels que domestiques. Ils sont également utilisables pour réaliser des convertisseurs continu-continu ou alternatif continu ; il suffit par exemple de remplacer la self inductance D4 de la figure 5 par un circuit redresseur suivi d'un filtre pour obtenir une énergie continue découplée de la source continue (E) ou alternative (secteur redressé) alimentant le convertisseur. Ils sont encore utilisables comme générateur ultrasonique. Dans les applications de chauffage où les deux selfs S1 et L2 le l'invention sont couplées, ces selfs peuvent être réalisées par exemple soit à partir d'un unique inducteur à prise ou potentiomètrique, 30it à l'aide de deux inducteurs différents enroulés ensemble de tanière à être imbriqués. tes figures 7 et 8 représentent respectivement le premier et le leuxième de ces deux cas dans l'exemple d'inducteurs en solénolde destinés à chauffer des pièces allongées P. Dans l'inducteur à prise Le la figure 7, la self L1 se trouve entre les bornes 5 et 6 et la xelf L2 entre les bornes 6 et 7 ; dans les inducteurs imbriqués de La figure 8, la self L1 est par exemple comprise entre les bornes 3 et 10 et la self L2 entre les bornes 9 et 11. les figures 9 et 10 représentent l'équivalent des figures 7 et 8 Lans le cas d'inducteurs plats utilisables pour chauffer des pièces lacées au-dessus de ces inducteurs, ou au-dessous. Une autre variante & construction de ces selfs est de les réaliser en Fil divisé multibrins, pour réduire les pertes Joules et augmenter le rendement hors tout du générateur, la figure 11 représente encore un autre moyen de coupler le deux selfs L1 et L2 des convertisseurs de l'invention en les sur posant comme indiqué en coupe sur la partie (b) de cette figure REVENDICATIONS Convertisseur à thyristor convertissant une énergie électrique ontinue fournie par une source (E) en une énergie alternative haute réquence et comportant un circuit oscillant (C) composé d'une predère inductance (L1) magnétiquement ou électromagnétiquement couplée une charge (P) et d'un condensateur (C) en série, un circuit écoupeur (Th, D) composé d'un thyristor (Th) et d'une diode (D) sonnectés tête-bêche en parallèle, et relié aux bornes dudit circuit scillant (Co) et referment, lorsqu'il est commundé pour conduire, edit circuit oscillant (Co) sur lui-même, une seconde inductance (LB), ite de charge et de blocage, insérée entre l'une des bornes (1) de la source d'énergie continue (E) et l'une des bornes communes (3) du sircuit oscillant (Co) et du circuit découpeur (Th, D) de façon à assurer, d'une part, la charge résonnante du condensateur (C) à travers les première (L1) et seconde (LB) inductances en série, lorsque le circuit découpeur (Th, D) est hloqué et, d'autre part, la séparation de la source d'énergie continue (E) du circuit découpeur (Th, D) Lorsque cellui-ci est déhloqué, caractérisé en ce que ledit circuit lécoupeur (Th, D) comporte une troisième inductance supplémentaire (L2) connectée en série avec la diode (D) et indépendante de ladite seconde inductance (LB), ladite troisième inductance (L2) étant branchée en série avec ledit circuit oscillant (Co) durant l'interralle de conduction de ladite diode (D), en vue de rendre la demipériode d'oscillation constituant cet intervalle supérieure an temps le recouvrement (TOT) du thryristor (Th). 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite troisième inductance (L2) est également magnétiquement ou électromagnétiquement couplée à ladite charge (P). 3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites preuière (L1) et troisiène (L2) inductances constitment ensenble l'enroulement prinaire d'un transformateur (T) adaptateur l'inpédance dont l'enroulement secondaire (L3) est réuni à un indueteur de chauffage (L4) magnétiquement complé à la charge (P). 4. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, carac térisé en ce qu'il comporte en outre un thyristor supplémentaire inséré en série avec ladite seconde inductance (LB) entre la sou d'énergie continue (E) et la borne commune du circuit oscillant et du circuit découpeur (Th, D), ledit thyristor supplémentaire étant commandé sur sa gâchette de façon à conduire durant l'état bloqué du circuit découpeur (Th, D) et à rester bloqué durant l'é conducteur de celui-ci. 5. Dispositif de chauffage par induction, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur selon l'une des revendications précédes