Brevet FR2497038A1 — publié le 19820625

La présente invention concerne un générateur de cou- rant asservi en puissance, destiné notamment à ltalimen- tation d'un processus faisant intervenir une décharge dans une atmosphère gazeuse raréfiée. Elle a plus particulièrement pour but la réalisation d'un générateur dont l'impédance interne est parfaitement adaptée à celle du plasma gazeux résultant de ladite dé- charge et qui réagit avec un temps de réponse très court à tout dépassement d'intensité diû,par exemple,à la for- mation d'un arc. Pour parvenir à ce résultat, l'invention, propose un générateur comprenant un dispositif d'alimentation per- mettant de transmettre un courant redressé impulsionnaire à fréquence constante et à largeur d'impulsionsvariable, au circuit primaire d'une inductance dont le circuit se- condaire est relié à un récepteur tel qu'un dispositif de décharge dans un milieu gazeux, et un dispositif de régulation permettant de régler la largeur de chacune des susdites impulsions en interrompant cette impulsion lorsque l'intensité du courant circulant dans ledit circuit pri- maire devient égal à un signal représentatif d'une puissan- ce de consigne. Un tel générateur permet donc, à chacune des impul- sions d'emmaganiser l'énergie demandée par l'utilisateur en fonction de ses besoins et de la restituer ensuite au récepteur. En effet, si l'on établit aux bornes d'une inductance une différence de potentiel Ve, le courant i circulant dans l'inductance s'élève selon une loi linéaire: Ve. t dans laquelle: Ve est la valeur de la tension redressée appliquée à la self; Lest le coefficient de self induction de llinductance. Ainsi, pendant toute la période de passage de courant dans l'inductance, celle-ci emmagasine une énergie W 2- égale à 2- (LI 2) If étant la valeur finale au moment de l'interruption de passage de courant, lequel peut dépendre du temps t ou de la tension Ve (si t est constant). La puissance emmagasinée peut donc être régulée en agissant sur le temps t ou sur la tension Ve. Au moment de l'interruption de courant (fin de ltim- pulsion du dispositif d'alimentation), lténergie emmagasi- née est envoyée avec la polarité souhaitée vers le récep- teur. L'avantage de ce système réside donc dans le fait que pour une puissance déterminée correspondant par exemple à un type de traitement particulier, quelle que soit la tension liée à la nature du récepteur, par exemple du plasma, le générateur fournit automatiquement la puissance demandée à tout instant. Il est clair que, du fait que la régulation s'effectue à puissance constante, ce générateur autorise,à la sortie du secondaire de l'inductance,des variations d'intensité parallèlement à des variations inverses de la tension. Ce dispositif fait donc intervenir un organe détec- tant l'intensité circulant dans le secondaire de l'induc- tance, un organe mesurant la tension aux bornes de cette inductance, ainsi qu'un dispositif logique destiné à interrompre l'émission des impulsions, dans le cas o, à la fois, l'intensité du courant s'élève au- dessus d'un seuil prédéterminé et la tension s'abaisse au-dessous d'un seuil prédéterminé. Selon un mode de réalisation avantageux de l'inven- tion, le susdit dispositif d'alimentation comprend un générateur de courant continu, relié au primaire de l'in- ductance par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation piloté par un générateur d'impulsions à largeur d'impul- sions variable (fonctionnement à simple alternance). Dans ce cas les deux circuits de commutation fonction- nent en opposition à partir du même générateur d'impul- sions, de telle manière que l'une des inductances restitue son énergie, pendant que Vautre emmagasine la sienne (fonctionnement à double alternance). Des modes de réalisation de l'invention seront décrits 3- - ci-après, à titre d'exemple non limitatifs, avec référen- ce aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est le schéma de principe d'un générateur dit à "simple alternance"; La figure 2 représente la table de vérité du circuit logique utilisé dans le générateur représenté figure 1 notamment pour la coupure d'arcs; La figure 3 est un schéma de principe d'un générateur dit à "double alternance"; La figure 4 est un schéma de principe d'un générateur du type de celui représenté figure 3 selon une technologie à thyristors. Dans l'exemple représenté figure 1 le générateur de courant comprend tout d'abord une source de courant conti- nu dont on n'a représenté que les bornes de sortie (+), (-). Ces bornes (+, -) se trouvent reliées à l'enroule- ment primaire 1 d'une inductance 2 par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation 3 (un commutateur 4, 5 par ligne) commandé par un générateur d'impulsions 6 comprenant une horloge 7 à fréquence constante reliée à une bascule 8 du type monostable dont la période métastable est comman- dable. Dans le circuit primaire de l'inductance 2 est éga- lement disposé un organe 9 permettant de fournir un signal représentatif de l'intensité du courant I1 à un compara- teur. Ce comparateur 10 compare ce signal d'intensité avec une valeur de consigne réglable (flèche 11) repré- sentative d'une puissance et transmet un signal à la bascule 8 lorsque le signal d'intensité I1 devient supé- rieur à la valeur de consigne. Ainsi sous l'effet d'une impulsion de l'horloge 7, la bascule 8 change d'état en provoquant la fermeture des commutateurs 4 et 5. Elle se maintient dans ce nouvel état jusqu'à l'instant o le courant I1 détecté par l'organe 9 devient supérieur au signal de consigne. A cet instant, le comparateur 10 émet un signal qui provoque le retour de la bascule 8 à son état initial, et, en conséquence, la réouverture des commutateurs 4, 5. Ce phénomène se repro- duit à chaque impulsion du générateur. - -4- On notera que chacun des commutateurs 4, 5 se trouve shunté de façon classique par une diode de protection 13, 14 qui permet en outre de restituer à la source, l'énergie excédentaire. Comme précédemment mentionné, l'enroulement secondaire de l'inductance est relié aux bornes d'un appareil de décharge dans une atmosphère raréfiée F, tel qu'un four de traitement thermique par bombardement ionique, par l'intermédiaire d'un circuit comprenant en série, un dé- tecteur 16 permettant de mesurer l'intensité du courant I2 et, en parallèleun détecteur 17 mesurant la tension Vs aux bornes de l'enroulement secondaire 15, une diode 18 étant montée en inverse sur labranche négative du circuit. Ces deux détecteurs 16, 17 sont reliés à un circuit logique 20, par l'intermédiaire de deux comparateurs res- pectifs 21, 22 qui ne fournissent un signal que si la tension Vs ou l'intensité 12 mesurée, est supérieure à un seuil déterminé Si, Sv. Ce circuit logique 20 est destiné à commander l'arrêt de l'horloge 7 dans le cas o l'intensité détectée I2 se trouve à un niveau supérieur au seuil Si et o la tension détectée Vs se trouve à un niveau inférieur au seuil Sv, ce qui se produit notamment lors de l'amorçage d'un arc. Dans la table de vérité représentée figure 2, on a indiqué par le chiffre O,les valeurs de la tension Vs et de l'intensité I2 inférieures à la valeur de seuil Si et Sv correspondante ainsi que l'émission du signal de com- mande de blocage de l'horloge par le circuit logique 20. Inversement le chiffre 1 correspond à des valeurs de Vs et de I2 supérieures à leurs valeurs de seuils respectives Sv et Si et à l'absence d'émission de signal de blocage du circuit logique 20. Avec référence à la figure 3 le générateur, de type double alternance, comprend deux circuits (dispositifs de commutation 3', 3", inductance L1, L2) semblables à -5 celui représenté figure 1, reliés à une m9me source de courant continu (bornes +, -) et dont les circuits de sortie sont connectés aux bornes de l'appareil de décharge F selon les polarités correspondantes. Dans ce cas,les commutateurs 4t, 5', 4", 5" des deux circuits de commutation 3t, 3" sont pilotés en opposition au moyen d'un même générateur d'impulsions (non représen- té). Dans le générateur de courant représenté figure 4, dont le principe général est similaire à celui du généra- teur faisant llobjet de la figure 3, les commutateurs 4t, 51 et 4",.5" consistent chacun en un couple de thyristors montés en série (ThA, ThAI), (ThfB', rhB), (ThA1, ThA'i) et(ThB'1, Thl3). 1' Par ailiieurs, la liaison entre les thyristors (ThA 1, THA11) se trouve raccordée: - d'une part, à la liaison entre le couple de thyris- tors (ThA, ThA') par l'intermédiaire d'une capacité C1 et - d'autre part, à la liaison entre le couple de thy- ristors (ThB', ThB) par l'intermédiaire dtun circuit com- prenant en série une diode D1, une self S1 et une diode D'2À DIune façon analogue, la liaison entre les thyristors 2.5 (ThBI1, ThB1) se trouve raccordée: - dlune part, à la liaison entre le couple de thyris- tors (ThB', ThB) par l'intermédiaire d'une capacité 02, et, - dtautre part, à la liaison entre les thyristors (ThA,ThA') par l'intermédiaire d'un circuit comprenant, en série une diode Dtl, une self $2 et une diode D2. De même que dans l'exemple précédemment décritjce circuit comprend, en outredes diodes de protection et de restitution d'énergie, affectées aux inductances Li et L2, ainsi qu'aux selfs Si et$2' Le pilotage des thyristors ThA, ThA', ThBt, ThB et -6- ThA1, ThA'1, ThB'1, ThB1 s'effectue au moyen d'un circuit de commande (non représenté) fonctionnant comme suit: En partant d'un état initial selon lequel aucun des thyristors n'est sollicité, on émet une impulsion de commande sur la gâchette des thyristors ThA, ThA', ThB', ThB qui deviennent conducteurs. En conséquence, la self S se trouve traversée par un courant ce qui produit: d'une part, la charge de la capacité C1 grâce au cir- cuit comprenant du côté positif le thyristor ThA et du côté négatif, le thyristor ThB, la diode Dl2, la self S1 et la diode D1, et d'autre part, la charge de la capacité C2 grâce au circuit comprenant du côté positif, le thyristor ThA, la diode D2, la self S2 et la diode D'1 et, du côté négatif, le thyristor ThB, les self S1 et S2 étant prévues pour augmenter le temps de charge des capacités C1 et C2 (di- di)( minution de dt Une fois les capacités C1, C2 chargées,l'ensemble est alors prêt pour la commutation suivante, étant entendu que le temps de conduction minimal des thyristors ThA, ThA' ThB, ThBt doit être suffisamment long pour que les capa- cités C1, C2 soient bien chargées. Pour arrêter la circulation du courant dans l'induc- tance L2 on émet une impulsion de commande sur les thyris- tors ThA1 et ThB1 qui deviennent conducteurs, tout en main- tenant bloqués les thyristors ThA'l et ThBt1. -Il se produit donc une inversion de polarité aux bornes des thyristors ThA et ThB et, en conséquence, le blocage de ces deux thyristors. Par ailleurs, les capacités C1 et C2 vont se charger et provoqueront en fin de charge le blocage par commuta- tion naturelle des thyristors ThAl, ThB' et ThA1, ThB1 (disparition du courant aux bornes de ces quatre thyris- tors). On émet ensuite une impulsion de commande sur les thyristors ThA',ThB' et ThA1,ThB1 de manière à les rendre conducteurs. Le courant circule alors dans l'inductance L1 -7- pendant la durée souhaitée à l'issue de laquelle on émet une impulsion de commande sur les thyristors ThA, ThB qui, en devenant conducteurs, provoquent le blocage des thyris- tors ThA1, ThB1. Une fois les thyristors ThA'l,ThB'l et ThA, ThB, bloqués par commutation naturelle on émet une impulsion de commande sur les thyristors ThA', ThB' et ThA, ThB ce qui entraîne la circulation du courant dans lVin- ductance L2 pendant la durée souhaitée au terme de laquelle une nouvelle séquence peut être à nouveau établie en pro- voquant tout d'abord la commutation des thyristors ThA1, et ThB1 et ainsi de suite. Il est à noter que dans le cadre de faibles puissan- ces il est possible de simplifier ce circuit en n'utili- sant que les quatre thyristors situés d'un même côté des inductances L1 et L2, par exemple les thyristors, ThA, ThA', ThA1, ThA'1, ou inversement les thyristors ThB, ThB', ThB1, ThBt1, le principe de la commutation restant le même. Par ailleurs, dans les générateurs précédemment décrits, il est en outre possible, pour de faibles largeurs d'impulsions, d'adapter la puissance de ces générateurs en faisant varier la fréquence des impulsions. Un tel fonc- tionnement convient, en particulier pour la phase de dé- passivation ou de décapage dans un traitement thermique par bombardement ionique. -8.. REVENDICATIONS 1.- Générateur de courant asservi en puissance convenant pour l'alimentation d'un processus faisant intervenir une décharge dans une atmosphère gazeuse raréfiée, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'alimentation permettant de transmettre un courant re- dressé impulsionnaire à fréquence constante et à largeur d'impulsions variable, au circuit primaire (1) d'une inductance (2) dont le circuit secondaire est relié à un récepteur (P) tel qu'un dispositif de décharge dans un milieu gazeux, et un dispositif de régula-ion permettant de régler la largeur de chacune des susdites impulsions en interrompant cette impulsion lorsque l'intensité du cou- rant circulant dans ledit circuit primaire devient égal à un signal représentatif d'une puis-sance de consigne. 2.- Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif (16 à 22) permettant de réduire la largeur d'impulsion du générateur, ou même de l'annuler, notamment dans le cas d'une baisse brutale de la tension en dessous d'une valeur minimale prédéterminée. 3.- Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il fait intervenir un orgeane détectant l'inten- sité circulant dans le secondaire de ltinductance, un organe mesurant la tension aux bornes de cette inductance, ainsi qu'un dispositif logique destiné à interrompre l'émission des impulsions dans le cas o à la fois l'intensité du courant stélève au-dessus d'un seuil pré- déterminé et la tension s'abaisse au-dessous d'un seuil prédéterminé. 4.- Générateur selon l'une des revencications pré- cédentes, caractérisé en ce que le susdit dispositif d'alimentation comprend un générateur de courant continu, relié au primaire (1) de l'inductance (2) par l'intermé- diaire d'un dispositif de commutation (3) piloté par un générateur d'impulsions (6) à largeur d'impulsions va- riable. -9- 5.- Générateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend deux circuits montés en parallèles et comprenant chacun un dispositif de commuta- tion (3', 3") et une inductance (L1, L 2), et en ce que les deux circuits de commutation (3', 3") fonctionnent en opposition à partir du même générateur d'impulsions, de telle manière que l'une des inductances, (L1, L2) restitue son énergie pendant que l'autre emmagasine la sienne. 6.- Générateur selon l'une des revendications précé- dentescaractérisé en ce que chacun des dispositifs de commutation (3', 3") associé à une inductance (L1, L2) comprend deux commutateurs (4', 5') ou (4", 5") respecti- vement disposés en amont et en aval de ladite inductance. 7.- Générateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les susdits commutateurs (4'i,5'et 4",5")consistent chacun en un couple de thyristors montés en série (ThA, ThA') (ThB', ThB), (ThA1, ThA'il) et (ThB'l, ThB1) en ce que, la liaison entre les thyristors (ThA1, ThA'i1) se trouve raccordée. - d'une part, à la liaison entre le couple de thyris- tors (ThA, ThA') par l'intermédiaire d'une capacité C1 et, - d'autre part, à la liaison entre le couple de thyristors (ThB', ThB) par l'intermédiaire d'un cirduit comprenant en série une diode D1, une self S1 et une diode Dl2, et en ce que, d'une façon analogue, la liaison entre les thyristors (ThB'1, ThB1) se trouve raccordée - d'une part,à la liaison entre le couple de thyris- tors (ThB', ThB) par l'intermédiaire d'une capacité C2 et, - d'autre part, à la liaison entre les thyristors (ThA, ThAI) par un circuit comprenant, en-série, une diode Dl1, une self S2 et une-diode D2. La commande desdits thyristors s'effectuant au moyen d'un circuit délivrant successivement, en partant d'un état initial selon lequel aucun des thyristors n'est sollicité: - 10 - - une impulsion de commande sur la gâchette des thyristors ThA, ThAl, ThBt, ThB; - une fois les capacités C1, C2 chargées, et au bout d'un temps déterminé, une impulsion de commande sur les gâchettes des thyristors ThA1 et ThB; - une fois les capacités C1, C2 chargées en sens inverse, une impulsion de commande sur les thyristors ThA'il, ThB'l et ThA1 ThB de manière à les rendre conducteurs; - au bout d'un temps prédéterminé, une impulsion de commande sur les thyristors ThA et ThB puis, - à nouveau,une impulsion de commande sur les thy- ristors ThA', ThB', ThA, ThB puis sur les thyristors ThA1 et ThB1 et ainsi de suite. 8.- Générateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que dans le cas de faibles puissances il est possi- ble de n'utiliser que les quatre thyristors situés d'un mê- me côté des inductances L et L2, par exemple les thyris- tors ThA, ThtAt, ThA1, ThA'l ou inversement les thyristors ThB, ThB', ThB1, ThBtl, le principe de la commutation restant sensiblement le même. 9.- Générateur selon l'une des revendications précé- dentes caractérisé en ce que pour de faibles largeurs d'impulsions, on peut en outre adapter la puissance de 25. ce générateur en faisant varier la fréquence des impulsions.