Brevet FR2495876A1 — publié le 19820611

La présente invention concerne les dispositifs électronicques de chauffage à induction. Les ccoposants de puissance de tels dispositifs doi- vent répondre à des critères d'intensité, de vitesse et de tensicn relativement sévères, ce qui les rend peu courants et de prix élevé. En effet, pour satisfaire aux besoins, par exemple dans le cas d'un appareii de cuisson à induction à vocation mna- gère, il faut que ces composants soient: a) suffisamment rapides en comnutation pour pouvoir fermer et ou- vrir un circuit oscillant à des fréquences de l'ordre de 20 à 40 kHz b) capables de supporter des intensités élevées, de l'ordre de ampères en régime permanent (pour une puissance de 2 kW induite) c) susceptibles de supporter, a leurs bornes, des tensions très élevées de l'ordre de 1000 volts compte tenu qu'un circuit résonnant pour un appareil de cuisson à usage ménager développe des tensions de l'ordre de 800 à 900 volts pour un foyer de 2 kW alimenté par un réseau de 220 volts. Or, ces trois conditions sont difficiles à respecter ensemble. Il est par contre beaucoup plus aisé de trouver sur le marché actuel des composants répondant à deux de ces condi- ticns. Le but de la présente invention est donc d'éliminer l'une de ces trois conditions, en l'occurrence celle relative au fait de pouvoir supporter une tension maximum répétitive à l'état bloqué et ce, de façon à réaliser un dispositif de chauffage à induc- ticn, dont la conception est telle que celui-ci présente une très grande fiabilité, malgré les limites de performances des com- posants électroniques actuellement sur le marché. A cet effet, ce dispositif est caractérisé en ce que son circuit oscillant, qui comprend un condensateur et une self en parallèle, est raccordé au circuit d'alimentation par deux interrupteurs électroniques - par exemple deux tyristors - as- sujettis à un circuit de conmmnande les faisant camuxter ensemble, de manière à ce que, lorsque ces deux interrupteurs se ferment, le circuit oscillant se trouve référencé entre ces deux lignes d'ali- mentation et, par le fait, chargé en énergie. Par contre, lorsque les deux interrupteurs sont ouverts, le circuit oscillant, chargé en énergie (et comparable dans cette phase à un générateur), va trouver à ses bornes deux interrupteurs ouverts, et par suite, se référencer à travers deux très grandes iniédances. Ceci aura pour effet que ce circuit aura tendan- ce à se centrer, ou à trouver son équilibre, entre ces deux impé- dances de grande valeur. Du reste, les particularités et avantages du présent dispositif apparaîtront plus clairement au cours de la des- cription suivante, donnée en référence aux dessins annexes. Sur ceux-ci: La figure 1 est un schéma général d'une forme préférentielle de réalisation du dispositif selon l'invention; La figure 2 représente les courbes de variation des tensions aux bornes des deux interrupteurs électroniques, ainsi que la courbe de variation de l'intensité dans la self du circuit oscillant; La figure 3 est un schén6 général d'une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans l'exemple illustré à la figure 1, le circuit oscillant 1 du dispositif correspondant est constitué par un circuit connu sous l'appellation "circuit bouchon". Celui-ci comprend une self plane 2 mnntée en parallèle avec un condensateur 3, dont les valeurs sont telles que le circuit résonne à la fréquence désirée, par exemple de 25 k.Hertz dans le cas précité d'un appareil menager. La self 2 fait alors offi- ce d'enroulenint primaire, le secondaire étant constitué par la charge à chauffer, dans l'appareil correspondant, en l'occurrence un ustensile de cuisson (casserole, poêle, etc...). Conformément à la caractéristique essentielle du dispositif selon l'invention, le circuit oscillant 1 est relié aux deux lignes 5 et 6 du circuit d'alimentation par l'intermédiaire de deux interrupteurs électroniques, qui se trouvent donc disposés de part et d'autre de ce circuit oscillant. Dans l'exemple représenté à la figure 1, chacun de ces interrupteurs est constitué par un tyris- tor 7 avec lequel est montée en anti-parallèle une diode 8 dont le sens de conduction est donc inverse. La gachette de chacun des tyristors 7 est reliée à un circuit de coanmande très simplifié dans l'exemple et désigné par la référence générale 9. L'agencement de ce circuit est tel que les ty- ristors fonctionnent à la fréquence de réscOnnance du circuit oscillant 1 en s'ouvrant et en se fermant en même temps. Ce circuit comprend un oscillateur de cormmande 10 de type astable, suivi d'un, voire de plusieurs, transistors) permettant d'obtenir des impulsions de comnran- de compatibles en durée, en polarité et en puissance pour commander correctement les interrupteurs de puissance. Cependant, l'agencement d'un tel circuit n'est pas complet, tel que présenté ci-dessous. En effet, il faut tenir compte du fait que les interrupteurs de puissance ne se désamorcent pas lorsque l'impulsion sur l'électrode de conmmande tombe à zéro volt. Pour attein- dre ce but, il faut inverser la polarité à ses bornes (anode-cathode). Le circuit bouchon est tout à fait adéquat pour assurer ce rôle supplémentaire. En effet, les phénomènes de surtension de tels circuits sant bien connus. Cependant, il existe une difficulté due à la faible valeur selfique utilisée (34 jaH) dans le présent exemple. En effet, c&te fai- ble valeur provoque l'ouverture des tyristors en 2,5/*seccndes, ce qui n'est pas suffisant pour charger correctement le circuit oscillant, en maintenant la fréquence de travail envisagée. Cependant, une augmentation de la valeur de la self 2 n'est pas envisageable, car ses dimensions iécaniques deviendraient vite inexploitables et, de plus, il serait difficile de trouver des réci- pients pouvant s'apairer à la self. Il est donc inutile d'énumérer tou - tes les autres raisons. C'est pourquoi, dans le but de conserver une fréquence de résonnance de 25 à 30 k.Hzet un temps de conduction des interrup- teurs de l'ordre de 10 /seccndes, il est inclus, dans la ligne qui alimente le circuit résonnant, une petite self 13 de 3,5 mHenri dans l'exemple. Cette self peut être constituée de différentes façons, par exemple sur air, sur noyau de différentes formes, ou plus simplement en passant le fil d'alimentation du circuit oscillant dans un tore de bonne valeur. Cette petite self a pour effet de ralentir ou plutôt de retarder l'action de la self de chauffe 2, ce qui se traduit par un 249S876 temps de conduction des tyristors de l'ordre de 10 Asecondes dans l'exemple. Tout ceci apparaîtra plus clairement en décomposant les différentes phases de conduction et d'oscillation libre du cir- cuit, lesquelles apparaissent sur les courbes de variation des tensions aux bornes des deux interrupteurs électroniques. Celles-ci sont représentées à la figure 2, sur laquelle: A est la phase de conduction (interrupteur fermé) B est la phase de ccnduction des diodes C est la phase d'oscillation libre 1. Phase de fermeture des deux interrupteurs Dans cette phase, le circuit oscillant se charge en énergie à travers les deux tyristors 7 de puissance. Le circuit bouchoa se trouve alors normalement référencé entre les lignes 5 et 6 du circuit d'alimentation. 2. Phase d'ouverture des deux interrupteurs C'est dans cette phase que se manifeste l'originalité du dispositif selon l'invention. En effet, les surtensions du circuit bouchon survenant 10/s après la fermeture des tyristors ont pour effet de polariser en inverse les tyristors, qui se bloquent. Les tensions supérieures aux références sont oécoulées par les diodes 8 et le circuit bouchon part en oscillation libre. Dès cet instant, le circuit oscillant (assimilable dans cette phase à un générateur d'énergie)va, pour se référencer, trou- ver à ses bornes les interrupteurs 7 ouverts. Ces derniers servent donc de référence au circuit oscillant, ce qui a pour effet d'essayer de centrer les tensions aux bornes de ce circuit entre deux très grandes impédances. Le centrage exact des tensions est directement lié aux paramètres internes des interrupteurs. Aussi, pour éviter un tri des composants, afin de les apai- rer, il est intéressant de monter en parallèle avec chaque tyris- tor, un condensateur de petite valeur 11 et une résistance 12. Ceci permet d'équilibrer convenablement les tensions aux bornes de chaque tyristor 7. En conséquence, chaque interrupteur supporte à ses bornes la 2495876. moitié de la tension développée par le circuit oscillant, soit 300 volts dans l'exemple. Il est à remarquer que la tension développée par ce type de circuit oscillant est plus faible que dans d'autres types de circuits oscillants. Il l'occurrence, cette tension est de l'ordre de 600 à 700 volts au lieu de 800 à 900 volts. Ce fait est dû a la faible valeur selfique 34 Henri, qui cumule les fonctions.l'enroulement primaire et moyen de décharge. Or, cette faible valeur permet d'écculer, plus rapidement que dans d'autres types cv circuits,l'énergie emmagasinée dans la capacité 3, d'o des tensions développées plus basses. D'autre part, le fait que les tyristors ne voient que la demi-tension présente aux bornes du circuit oscillant, offre de multiples avantages, dont les principaux sont: 1. En conservant des tyristors de mnêmes caractéristiques que sur un montage à un interrupteur (tenue en tension 1000 V), ce nouveau système offre une marge de sécurité pour une tension de 1400 V dans l'exemple. 2. La marge de sécurité de tension peut être réduite en augmentant la tension d'alimentation si l'on désire augmenter la puissance. 3. Il est possible, en gardant une marge raisonnable de sécurité de tension (600 V par exemple) d'utiliser des tyristors moins performants en tension. 4. Il est évidemment toujours possible, pour augmenter la puissance, de nultiplier le nombre de paires de tyristors par montage. La conception particulière du dispositif selon 1' inven- tion nultiplie donc largement les coefficients de sécurité, puisque les tensions aux bornes des interrupteurs sont divisées par deux. Il faut également observer que cette conception a pour avantage d'éliminer les inconvénients habituels des dispositifs électroniques de chauffage par induction, parmi lesquels les risques d'emballement thermique des composants actifs (interrup- teur de puissance). En effet, dans ce cas de figure, un interrup- teur protege efficacement l'autre, sachant que les composants ne sont jamais parfaitement identiques, et de plus, jamais expo- ses aux mêmes températures. D'autre part, les courants de fuite sont diminués par le montage de deux interrupteurs, ce qui offre une bonne garantie con- tre l'enmballement thermiqueo Mais, ainsi qu'il a déjà été indiqué, le principal avan- tage du dispositif selon l'invention réside dans le fait que, pour un nmême voltage da circuit oscillant, la nmarge de sécurité tension des interrupteurs électroniques se trcuve considérablennt aug- mnentée. Cependant, il va de soi que le dispositif selon l'invention n'est pas limité au seul exemple préférentiel décrit ci-dessus. Ainsi, le circuit oscillant de ce dispositif peut être réalisé différemment. D'autre part, les tyristors de puissance pourraient être remplacés par des transistors de puissance, moyennant quelques retouches inhérentes au matériel employé. Du reste, la figure 3 représente le schema d'une forme de réalisation dans laquelle les tyristors 7 du précédent exemple sonlt remplacés par des transistors 7a. Par ailleurs, il va de soi que le présent dispositif n'est pas limité à la réalisation d'appareils de cuisson à usage ménager, car il peut faire l'objet d'applications diverses. REVENDICATIONS 1. Dispositif électronique de chauffage à induction, comportant un circuit oscillant comprenant un condensateur et une self qui fait office d'enroulement primaire, l'enroulement se- condaire étant constitué par la charge à chauffer, caractérisé en ce que ce circuit oscillant est raccordé au circuit d'alimentation par deux interrupteurs électroniques - par exemple deux tyristors (7) - assujettis à deux circuits de comrande (9) les faisant fonctionner à la fréquence de résonnance du circuit oscillant (2-3) pour s'ouvrir et se fermer en mnme temps, ces interrupteurs jouant le role d'im- pédances de très grande valeur lors de leur ouverture. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'une des lignes d'alimentation du circuit oscillant, il est prévu une self (13) ayant pour fonction de retarder l'action de la self ( 2) du circuit oscillant. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une résistance (12) et une capacité (11) sont montées en parallèle avec chaque interrupteur électronique (7) pour centrer les tensions du circuit oscillant (2-3).