Brevet FR2507842A1 — publié le 19821217

REGULATEUR DE TENSION A SEMI-CONDUCTEUR ET GENERATEUR DE RADIOLOGIE COMPORTANT UN TEL REGULATEUR La présente invention concerne un régulateur de tension à semi-conducteur Elle trouve application particulièrement dans le domaine de la radiologie. Les régulateurs destinés aux applications à puissance élevée en haute tension, par exemple, pour la radiographie de radiodiagnostic utilise des tétrodes pour obtenir une haute tension régulée à partir d'un transformateur-redresseur triphasé Ces dispositifs sont relati- vement coûteux et encombrants Lorsque la puissance demandée ne dépasse pas quelques kilowatts, des multiplicateurs de tension capacitifs sont souvent utilisés à des fréquences élevées Différents systèmes de régulation existent pour basse tension Ils utilisent des semi-conducteurs qui découpent la tension d'entrée soit par varia- tion de l'angle de conduction, soit par modifications du taux de conduction, soit par variation de fréquence Tous ces systèmes sont en principe utilisables à des tensions et à des puissances élevées. Toutefois, certains éléments technologiques gênent l'utili- sation de tels régulateurs en haute tension à savoir notamment: la self de dispersion importante du transformateur haute tension dû à la géométrie déterminée par les tensions d'isolement; la nécessite dans beaucoup de montages d'utiliser une induc- tance de lissage dans le circuit haute tension. Cette inductance limite généralement la vitesse de réponse à quelques dizaines d'alternances de la fréquence de base de la commutation A fréquence élevée, les diodes haute tension sont en général coûteuses. L'invention apporte un perfectionnement au régulateur de tension à semi-conducteur Un régulateur de tension selon l'inven- tion, comporte une source de tension continue qui alimente un onduleur dont la sortie est connectée à un redresseur qui débite dans une charge Il comporte aux bornes de la charge un échantillonneur qui prélève une fraction de la tension instantanée aux bornes de la charge et l'envoie à un circuit engendrant un signal d'erreur à partir d'une tension de consigne La tension de consigne est fournie par un circuit tel que le signal d'erreur est transmis à un circuit de commande de l'onduleur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention vont être dégagées à l'aide de la description et des figures annexées qui sont: la figure 1, un schéma bloc d'un régulateur selon l'invention, la figure 2 un schéma d'un régulateur selon la figure 1, la figure 3, des diagrammes expliquant le fonctionnement du régulateur de la figure 2, la figure 4, un schéma d'une variante de la figure 2, la figure 5, une variante d'un diagramme de fonctionnement de l'invention, la figure 6, une variante de l'invention. A la figure 1, est représentée une source de tension continue 1, qui débite sur un onduleur 2 qui fournit une tension alternative à un redresseur 3 Le redresseur 3 est connecté à la charge 4 qui est constituée ici par un tube de rayons X La tension aux bornes du tube est prélevée par un échantillonneur qui transmet une fraction de la tension continue d'alimentation à un circuit 6 générateur d'un signal d'erreur Un circuit de consigne 7 fournit une valeur de la tension à appliquer au tube, ou une image de cette tension, de façon à appliquer à un circuit de commande 8 de l'onduleur 2 un signal d'erreur qui permette à l'onduleur de rattrapper les variations de tension sur la charge. A la figure 2 est repésenté un régulateur selon l'invention, o une source de tension continue 1 débite sur un onduleur de type série qui comprend principalement deux condensateurs 9 et 10 de commu- tation, deux thyristors 23, 24 en série avec une bobine 25, 26 et un transformateur de sortie dont le primaire 13 est connecté entre les deux condensateurs d'une part, et au point milieu de la bobine 25, 26 d'autre part Deux diodes 11 et 12 sont connectées en parallèle avec chacun des condensateurs 9 et 10 Ces diodes sont placées de telle sorte qu'elles évitent l'emballement des tensions et courants dans ces condensateurs suite à la nature de la charge du transformateur 13, 14 En effet, celuici débite par son secondaire sur un pont de diodes 15 qui redresse la tension de sortie de l'onduleur La tension redressée est fournie à un condensateur 16 La charge 17 est connectée aux bornes du condensateur 16 Les enroulements 25 et 26 de la bobine sont couplés magnétiquement et sont identiques. L'échantillonneur aux bornes de la charge 17 comporte deux résis- tances 18, 19 Aux bornes de l'échantillonneur est prélevée l'image de la tension aux bornes de la charge qui est comparée dans le comparateur 20 à une tension de référence fournie par un circuit 7 de génération de la tension de consigne Ce circuit peut prendre différentes formes, selon les utilisations et la nature de la charge. En particulier elle peut prendre la forme d'un organe micro- programmé Les micro'rogrammes sont stockés en mémoire pour permettre des usages particuliers de la charge comme par exemple pose de 100 ms à 85 KV ou bien radiocinéma à 40 Hertz, etc Le signal de sortie du comparateur 20 est envoyé à un oscillateur 21 qui pilote les gâchettes de thyristors 23 et 24 au moyen d 'une bascule 22. La tension alternative délivrée par l'onduleur aux bornes du secondaire 14 dépend en particulier du rapport du nombre de spires du primaire 13 au secondaire 14 Dans la description qui suit, afin de faciliter la compréhension, on supposera que l'enroulement secon- daire 14 a le même nombre de spires que l'enroulement primaire 13. Le condensateur 16 aura en général une valeur plus élevée que les condensateurs 9 et 10 de manière à respecter une ondulation résiduelle maximum souhaitée pour la tension sur la charge 17. A la figure 3, est repésentée une suite de diagrammes de fonctionnement stable à fréquence constante Cette figure permet de comprendre le cycle de fonctionnement A l'instant initial, on suppose que la tension V 10 aux bornes du condensateur 10 est nulle, que les thyristors 23 et 24 sont éteints et tous les courants nuls A l'instant a, le thyristor 23 est allumé, le courant i 23 commence à traverser le thyristor 23 Le courant i 23 tourne dans la maille supérieure et traverse l'enroulement 25, l'enroulement 13 et le courant se divise alors dans les condensateurs 9 et 10 Le thyristor 24 étant éteint, aucun courant ne rentre dans la maille inférieure. Le courant passant par le condensateur 9, ainsi que le courant passant par la source de puissance 1 via le condensateur 10, retourne vers le thyristor 23 La tension V 13 aux bornes de l'enroulement 13 est limité à la tension du condensateur 16 à travers le pont de diodes et le transformateur 13, 14 Le condensateur 16 étant de forte valeur, la tension sur ce condensateur reste pratiquement constante. Pendant l'intervalle de temps a-b, le courant i 23 varie sinusol- dalement dans le circuit résonnant comprenant la bobine d'induction 25, les condensateurs 9 et 10 La tension V 10 aux bornes du condensateur 10 varie donc en quadrature avec le courant i 23 Cette tension atteint la valeur de la tension V 1 de la source de puissance 1 à l'instant b A cet instant, la diode 11 conduit et dérive donc les courants qui passaient précédemment par les condensateurs 9 et 10. Ce courant est noté i 11 Pendant l'intervalle de temps suivant bc, les courants 123 et 1 il décroissent puisque la tension V 13, toujours imposée égale à la tension du condensateur 16, est appliquée à travers la diode 11 et le thyristor 23 à l'enroulement 25 La diode 11 étant passante, la tension V 10 est imposée égale à la tension V 1 de la source de puissance 1 A l'instant suivant c, les courants i 23 et il s'annulent et le thyristor 23 est éteint par annulation des courants qui le traverse Le courant s'annulant dans l'enroulement 13 fait retomber la tension V 13 à zéro. A l'instant d, le thyristor 24 est allumé et fait agir une boucle semblable à la précédente mais cette fois, à travers le thyristor 24 et l'enroulement 26 C'est la diode 12 qui s'allumera à l'instant e A l'instant d, le thyristor 24 est allumé et si les enroulements 25 et 26 sont couplés magnétiquement, le thyristor 23 reçoit une tension inverse Pendant l'intervalle de temps d-e, la tension V 23 dépassera le tension V 1 de la source de puissance 1 Si les enroulements 25 et 26 ne sont pas couplés magnétiquement, le thyristor 23 ne recevra pas de tension inverse à l'instant d et il sera nécessaire de conserver un intervalle de temps c-d supérieur ou égal au temps de décommu- tation nécessaire au thyristor 23. La boucle de contre-réaction formée par l'échantillonneur 5, le circuit générateur du signal d'erreur 6 et la commande de l'onduleur 8 permet de régler la puissance fournie à la charge En effet, de chaque allumage d'un thyristor 23 ou 24, il résulte un apport d'énergie au condensateur 16 Cette énergie est fonction des valeurs des condensateurs 9 et 10 et proportionnelle au carré de la tension V 1 de la source de puissance 1 Si le produit de cette énergie par la fréquence de répétition des allumages successifs des thyristors 23, 24 est supérieure à la puissance consommée dans la charge 17, la tension sur cette charge augmente; si ce produit est inférieur à la puissance consommée dans la charge 17, la tension sur cette charge diminue La tension aux bornes de la charge 17, sera donc réglée par ajustage de la fréquence de fonctionnement. La régulation selon l'invention est appliquée de la façon suivante, quand la tension sur la charge 17 dépasse un certain niveau, le comparateur 20 bloque l'oscillateur 21 qui pilote les gâchettes des thyristors 23 et 24 au moyen de la bascule 22 L'effet de régulation est de ce fait instantané, il agit dès la première impulsion vis-à-vis de perturbations introduites par des variations de la charge ou du système d'alimentation en puissance. Si l'on désire que la tension aux bornes de la charge 17 soit plus élevée, on augmentera le nombre de spires de l'enroulement secondaire 14 du transformateur. A la figure 4, une variante selon l'invention utilise deux onduleurs 46, 47 dont les entrées sont connectées en parallèle sur les bornes de l'alimentation 1 Ils sont identiques à l Ponduleur série précédemment décrit Leurs sorties sont indépendantes L'onduleur 46 débite par un transformateur haute tension de primaire 48 et de secondaire 49 sur un pont redresseur 50 L'onduleur 47 débite par un transformateur haute tension de primaire 52 et de secondaire 53 sur un pont redresseur 54 Aux bornes de sortie de chacun des deux redresseurs, est connecté un condensateur 51, 53 Une borne du condensateur 51, connectée à la borne la plus positive du redresseur 50, est reliée à la borne du condensateur 56, elle-même reliée à la borne la plus négative du redresseur 54 Cette borne commune est connectée à la masse commune du régulateur de tension La borne négative du redresseur 50 est reliée à la cathode du tube à rayons X 56 Cette disposition justifie la désignation d'onduleur cathodique pour l'onduleur 46, de même que l'onduleur 47 est désigné sous le terme d'onduleur anodique Un échantillonneur 560 est connecté en parallèle sur la charge 56 Une boucle de contre-réaction, identique à celle décrite pour le régulateur de la figure 1, mais commune partiellement aux deux onduleurs 46, 47 est représentée par l'élé- ment 461 Sa sortie est connectée d'une part aux gâchettes des thyristors de l'onduleur 46 pour commander la conduction de celui- ci, d'autre part à un circuit à retard de phase réglable 461 Dans le cas o les ondulations résiduelles des tensions fournies par chacun des condensateurs 51, 55 est de forme triangle isocèle, un déphasage de 1800 de la commande des deux onduleurs, permet, dès la seconde ondulation, d'obtenir une différence de potentiel aux bornes du tube rigoureusement constante Dans le cas d'ondulations de formes aléatoires, le circuit à retard de phase réglable 461 peut être commandé par un dispositif d'optimisation. Dans une autre variante o la self de dispersion du trans- formateur d'enroulements 13, 14 est importante, il est possible de ne pas avoir recours aux bobines d'induction couplées magnétiquement et 26 En effet, la résonnance au cours de la conduction d'une des mailles se fera entre les condensateurs 9 et 10 et la self de dispersion du transformateur Cette solution sera avantageusement retenue lorsque les composants de commutation la rendront possible. Les formes d'ondes dessinées à la figure 3, ne tiennent pas compte de la self de dispersion du transformateur d'enroulement 13, 14 Si l'on tient compte de cette self de dispersion, les formes d'ondes de cette figure restent pratiquement valables, à l'exception de la tension V 13 aux bornes du primaire du transformateur d'enroulement 13, 14 qui est représentée avec la self de dispersion de ce trans- formateur à la figure 5. A la figure 6 est représentée une autre variante de réalisation de l'invention Dans certaines applications, il est nécessaire de réduire le plus possible la valeur du condensateur 16 aux bornes desquelles -la charge 17 est placée Dans ces applications, la charge une fois 1 'onduleur coupé, reçoit une puissance causée par la décharge du condensateur 16 Dans le cas d'un tube de radiodia- gnostic, cette situation correspondrait à une émission de rayons X après l'ordre de coupure du générateur Afin de réduire cet inconvé- nient, il est prévu des moyens pour augmenter la puissance fournie par l'onduleur qui permettent de réduire la capacité du condensateur 16 aux bornes de la charge Pour celà, plusieurs branches parallèles entre elles de condensateurs de commutation 30, 31, 32, 33, 34, 35 sont disposés à l'entrée du dispositif Ces dispositifs permettent de mettre ou non -en parallèle l'une au moins des branches supplémen- taires de condensateurs Avec deux branches additionnelles, un tel dispositif permet de prévoir quatre plages de puissance répondant à des impératifs de caractéristiques du tube. Chacun de ces dispositifs de commutation à semi-conducteur comporte en parallèle une diode 36 ou 37 et un thyristor 38 ou 39 monté en parallèle tête-bêche Ces dispositifs sont connectés d'une part au point commun aux deux condensateurs en série dans la branche 30, 31 et d'autre part au point milieu de la branche comprenant les diodes 11 et 12 A l'appel d'une puissance donnée, un circuit de sélection non représenté actionne la gâchette de l'un ou l'autre des thyristors 38, 39 et met en parallèle avec la branche de condensateur 34, 35 l'une des branches-de condensateur 32, 33 ou de condensateur 30, 31 Les condensateurs d'une même branche sont de valeur identique Dans une autre version, il est possible de rem- placer les dispositifs de commutation à semi-conducteur 37, 39 et 36, 38 par des contacteurs électro-mécaniques Dans tous les cas, les dispositifs de commutation de chacune des branches de conden- sateur supplémentaire comportent une connexion à un circuit de sélection de puissance non représenté sur la figure Ce circuit permet en fonction des utilisations programmées par l'opérateur de sélectionner la branche de condensateurs supplémentaires à ajouter au montage en tenant compte du fait que le condensateur 16 en sortie du redresseur 15 est'de faible valeur. D'autres commutateurs électroniques de puissance à semi- conducteurs peuvent être utilisés en place et lieu des thyristors de la description En particulier, dans l'invention, il est nécessaire d'avoir des forts pouvoirs de coupure, une grande rapidité et une bonne capacité de débits pour ces composants. REVENDICATIONS 1 Régulateur de tension à semi-conducteur du type compor- tant une source de tension continue ( 1) qui excite au moins un onduleur ( 2) dont la sortie est connectée à un redresseur ( 3) qui débite dans une charge ( 4), caractérisé en ce qu'il comporte aussi aux bornes de la charge ( 4) un échantillonneur ( 5) qui prélève une fraction de la tension instantanée aux bornes de la charge ( 4) et l'envoie à un circuit ( 6) engendrant un signal d'erreur à partir d'une tension de consigne fournie par un circuit ( 7) engendrant la tension de consigne, le signal d'erreur étant transmis à un circuit ( 8) de commande de l'onduleur ( 2). 2 Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'onduleur ( 2) comprend deux condensateurs ( 9, 10) de commutation, chacun étant shunté par une diode ( 11, 12) qui limite le courant traversant l'onduleur, les deux condensateurs ( 9, 10) étant connectés en série, dans une branche de l'onduleur parallèle à une autre branche comprenant deux commutateurs électroniques de puissance ( 23, 24) et en ce que la tension de sortie de l'onduleur est disponible aux bornes du secondaire ( 14) d'un transformateur dont le primaire ( 13) est connecté d'une part au point de connexion des deux condensateurs ( 9, 10) de commutation et d'autre part au point de connexion des deux commutateurs électroniques de puissance ( 23, 24). 3 Régulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la branche de i'onduleur ( 2) qui comprend des commutateurs électro- niques de puissance ( 23, 24) comprend aussi deux bobines ( 25, 26) identiques, de part et d'autre de la connexion de la dite branche avec le primaire du commutateur électronique de puissance bas ( 24). 4 Régulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les bobines ( 25, 26) sont couplées magnétiquement. 5 Régulateur selcn la revendication 1, caractérisé en ce que l'échantillonneur ( 5) comprend un pont résistif diviseur de tension ( 18). 6 Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit ( 7) engendrant la tension de consigne est un organe microprogrammé en fonction des utilisations de la charge ( 17). 7 Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit ( 6) engendrant un signal d'erreur comprend un comparateur de l'image de la tension mesurée aux bornes de la charge ( 17) par l'échantillonneur ( 5) à la tension de consigne fournie par le circuit ( 7) de consigne. 8 Régulateur selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que les commutateurs électroniques ( 23, 24) sont des thyristors. 9 Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commande ( 8) de l'onduleur ( 2) comprend un oscillateur ( 21) connecté à une bascule ( 22) dont les sorties sont connectées aux gâchettes des thyristors ( 23, 24). Régulateur selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de branches de paires de conden- sateurs ( 30, 33) de commutation supplémentaires, chaque paire de condensateurs dans une branche comprenant deux condensateurs en série de même capacité, chaque branche étant connectée en paral- lèle sur la source de puissance ( 1), son point milieu étant connecté au point milieu de la branche de condensateurs ( 34, 35) de commuta- tion par un dispositif de commutation ( 36, 38 ou 37, 39) déclenché par un circuit de sélection de puissance commun à chacun des dispositifs de commutation. 11 Régulateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les dispositifs de commutation ( 36, 38 ou 37, 39) sont des contac- teurs électromécaniques. 12 Régulateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les dispositifs de commutation ( 36, 38 ou 37, 39) sont des commuta- teurs à semi-conducteurs commandables par le circuit de sélection de puissance. 13 Régulateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque commutateur à semi-conducteurs commandables comporte une diode ( 36 ou 37) en parallèle et inversée sur un thyristor ( 38 ou 39) dont la gâchette de commande est connectée au circuit de sélection de puissance. 14 Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux onduleurs ( 46, 47) dont les bornes d'entrée sont connectées en parallèle sur la source ( 1) de tension continue dont chacune des sorties débite sur un transformateur haute tension indépendant ( 48, 49 ou 52, 53) aux bornes de chacun desquels est commuté un condensateur ( 50 ou 54) dont une borne est reliée à la masse électrique du régulateur et dont l'autre est reliée à une polarité prédéterminée de la charge ( 56). 15 Régulateur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle de contre réaction unique comportant un échantillonneur ( 560) aux bornes de la charge ( 56) qui fournit une image de la tension instantanée aux bornes de la charge ( 56) à un circuit unique ( 460) comportant un condensateur, un circuit de consigne et une commande de l'onduleur, cette commande étant fournie directement à l'un des onduleurs ( 46 ou 47) et à un circuit ( 461) de déphasage réglable qui fournit une commande à l'onduleur ( 47 ou 46). 16 Régulateur selon la revendication 16, caractérisé en ce que le déphasage est de cent quatre vingt degrés. 17 Générateur de radiologie, caractérisé en ce qu'il comporte un régulateur de tension selon l'une des revendications précédentes.