Brevet FR2591045A1 — publié le 19870605

La présente invention est relative à un disposi- Lif capable de transférer rapidement un courant dans une charge du type inductif. Ainsi qu'il est connu, il est fréquemment néces- saire de transférer dans des temps courts des courants de grande intensité dans les éléments inductifs. Il s'agit, par exemple, de la commande d'électrovalves ou d'électro-aimants rapides pour installations d'injection de moteurs Diesel à pilotage électrique. Actuellement, le transfert des courants de gran- de intensité dans des éléments inductifs s'effectue en utilisant des dispositifs spécialement étudiés qui met- tent essentiellement à profit le principe consistant à charge un condensateur sous une forte tension au moyen d'un convertisseur alimenté par une basse tension conti- nue. Le condensateur ainsi chargé est connecté à la char- ge inductive au moyen d'un interrupteur, afin de fournir l'intensité demandée à ladite charge inductive. Les inconvénients que l'on rencontre dans ces dispositifs sont principalement dus au/fait qu'on doit maintenir une tension d'une valeur relativement élevée (essentiellement comprise entre 100 Volts et 200 Volts) aux bornes du condensateur et que la valeur de l'intensi- té demandée par la charge impose que la valeur de la ca- pacité de ce condensateur soit relativement élevée, ce qui a pour conséquence un condensateur de grand volume et un encombrement non négligeable de l'ensemble du dis- Dositif. En outre, pour pouvoir éteindre rapidement le courant circulant dans la charge, ces condensateurs doi- vent posséder des caractéristiques relativement sévères sous l'aspect de l'impédance interne, de la fiabilité et de la température de travail, et les coûts sont par con- séquent élevés. En outre, il se crée des surtensions aux bornes de l'interrupteur de sorte que ce dernier doit être convenablement protégé, par exemple, par le montage d'une diode de Zener connectée en parallèle. Toutefois, dans ce dernier cas, on observe une notable dissipation de Puissance si les conditions de fonctionnement exigent que la commande de la charge inductive se produise de fa- çon répétitive avec une fréquence relativement élevée. Le but de la présente invention est de réaliser un dispositif capable de transférer rapidement un cou- rant dans une charge de type inductif qui permette de surmonter les inconvénients présentés par les disposi- tifs de type connu et énumérés plus haut. Ce but est atteint avec la présente invention en ce qu'elle est relative à un dispositif destiné à transférer rapidement un courant électrique, engendré par des moyens d'alimentation à basse tension prédétermi- nés, dans au moins une charge de type inductif; caracté- risé en ce qu'il comprend: un inducteur connecté auxdits moyens d'alimenta- tion en courant; un condensateur destiné à être connecté en pa- rallèle avec ladite charge inductive; et une pluralité de moyens interrupteurs présen- tant un temps de réponse réduit et commandés de manière à connecter entre eux lesdits moyens d'alimentation, l'inducteur et le condensateur selon une pluralité de configurations de circuits dans une séquence prédétermi- née. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels, la figure 1 est relative à un schéma électrique simplifié d'une première forme de réalisation du disposi- tif réalisé selon l'invention; la figure 2 est relative à un circuit électri- que simplifié d'une deuxième forme de réalisation du dis- positif réalisé selon l'invention; les figures 3 et 4 représentent la variation dans le temps de certains signaux électriques détectés en des points prédéterminés de la figure 1, dans deux conditions de fonctionnement différentes; et la figure 5 montre la variation de certains si- gnaux électriques détectés en des points prédéterminés du circuit de la figure 2. Sur la figure 1, on a désigné dans son ensemble par 1 un dispositif destiné à transférer rapidement un courant électrique engendré par une source d'alimenta- tion 2 de type continu dans une charge 3 de type induc- tif. A titre d'exemple, cette charge pourrait être cons- tituée par une électrovalve ou un électro-aimant adapté pour actionner un injecteur de moteur Diesel. Essentiellement, le schéma de circuit du dispo- sitif 1 aboutit à deux noeuds principaux indiqués en 5 et 6; en fait, ces noeuds sont connectés l'un à l'autre par trois branches principales indiquées respectivement par 7, 8 et 9. En particulier, la branche 7 comprend es- sentiellement un inducteur 10 ayant une borne connectée au noeud 5 tandis que sa borne opposée est connectée au noeud 6, soit à travers la jonction cathode-anode d'une diode 11, soit à travers un interrupteur électronique 12 connecté en série avec la source d'alimentation 2, la- quelle est avantageusement constituée par une batterie d'accumulateurs. L'interrupteur électronique 12 est re- présenté par un schéma équivalent qui est essentielle- ment constitué par un interrupteur 13 en parallèle avec lequel est connectée une diode 14; l'interrupteur élec- tronique 12 peut être commandé par un circuit électroni- que de type connu, non représenté, et il présente un temps de réponse (mesuré entre l'arrivée d'un signal de commande et l'ouverture ou la fermeture de l'interrup- teur 13) extrêmement limité. La branche 8 établie entre les noeuds 5 et 6 comprend uniquement un interrupteur électronique 16, en- tièrement analogue à l'interrupteur électronique 12 pré- cité et qui comprend en particulier un interrupteur 17 en parallèle avec lequel est connectée une diode 18. La branche 9 établie entre les noeuds 5 et 6 4 2 2591045 comprend la charge inductive 3, connectée en parallèle avec un condensateur 20, et un interrupteur électronique 21 entièrement analogue aux interrupteurs électroniques 12 et 16 décrits plus haut et qui comprend lui aussi un interrupteur 22 connecté en parallèle avec une diode 23. Une pluralité de branches sensiblement identi- ques à la branche 9 (dont une est indiquée en 9') peu- vent être connectées en parallèle avec la branche 9, et chacune d'elles comprend une charge de type inductif cor- respondante, dans laquelle il s'agit de transférer un courant prédéterminé. Sur la figure 2, on a désigné dans son ensemble par 25 une deuxième forme de réalisation du dispositif selon l'invention, qui est équivalente au dispositif 1 décrit plus haut. Etant donné que,pour la plus grande partie, les éléments qui constituent le dispositif 25 sont connectés sensiblement de la même façon que les élé- ments correspondants du dispositif 1 et qu'ils assurent les mêmes fonctions, on a considéré que l'on pouvait uti- liser les mêmes numéros de référence pour les éléments correspondants. En substance, les branches 8 et 9 sont sensiblement inchangées tandis que, maintenant, l'induc- teur 10 est connecté à la branche 7 au moyen d'un trans- formateur 30 dont l'enroulement primaire 31 est connecté en parallèle avec l'inducteur 7 tandis que l'enroulement secondaire 32 est connecté en série avec une diode 33 pour constituer avec cette dernière la nouvelle branche 7 du dispositif 25. Les points noirs indiqués à côté de l'enroulement primaire 31 et de l'enroulement secondaire 32 du transformateur 30 indiquent la correspondance de signe des signaux échangés entre ces enroulements. Les figures 3 et 4 indiquent la variation dans le temps de signaux électriques d'intensité (il, i2) et de tension (vA, vB) observés aux points correspondants du schéma de la figure 1 dans deux conditions de fonc- tionnement différentes. De même, sur la figure 5, on a indiqué les variations dans le temps de certains signaux d'intensité (il, i2, i3) et de tension (VA, vB) observés en des points correspondants du schéma de la figure 2. On décrira maintenant le fonctionnement des dis- positifs 1 et 25 en se reportant aux dessins annexés. En Particulier, le fonctionnement du dispositif 1 peut se produire de deux façon différentes, qui seront donc dé- crites séparément en se reportant tout d'abord aux figu- res 1 et 3 et, ensuite, aux figures 1 et 4. Comme on peut le voir en se reportant en parti- 1) culier aux figures 1 et 3, dans une première condition de fonctionnement, les interrupteurs électroniques 12 et 16 sont maintenus fermés et l'interrupteur 21 est mainte- nu ouvert. Il en résulte que, entre les instants to et tl, il circule à l'intérieur de l'inducteur 10 une inten- sité il qui croit de façon linéaire et proportionnelle- ment au rapport entre la tension de la batterie 2 et l'inductance de l'inducteur 10. Dans une phase suivante, on ouvre l'interrupteur 16, on maintient l'interrupteur 21 fermé et on maintient également l'interrupteur 1 fer- mé. Il en résulte que l'intensité il 1ui, à l'instant tl, o se produit la commutation des interrupteurs préci- tés, vaut Io, circule dans le groupe constitué par la charge inductive 3 et par le condensateur 20; ces der- niers constituent dans leur ensemble un circuit oscil- lant en parallèle avec lequel l'inducteur 10 est connec- té. Il en résulte que l'intensité i1 décroit selon une courbe sinusoidale jusqu'à atteindre la valeur 0 et que, de façon correspondante, l'intensité i2 circulant dans la charge 3 croît jusqu'à atteindre la valeur I0 (ins- tant t2). Pendant ce temps, la tension aux bornes de L'interrupteur électronique 16, indiquée par VA, a dé- c;rit la demi-onde positive d'une sinusoïde. Dès que cet- te tension tend à changer de signe, et elle est amenée à le faire par le condensateur 20 qui tend à se charger dans le sens inverse pour poursuivre l'oscillation, la diode 18 est polarisée dans le sens direct et met les noeuds 5 et 6 sensiblement en court-circuit en détermi- nant, d'un côté, le court-circuitage du condensateur 20 et la décroissance exponentielle de l'intensité i2. D'un autre côté, le court- circuit établi entre les noeuds 5 et 6 provoque une nouvelle augmentation du courant i1 se- lon les modalités déjà décrites précédemment. Lorsque l'intensité i1 est égale en valeur à l'intensité i2 (instant t3 de la figure 3) il ne circule plus de courant dans la diode 18, les inducteurs 3 et 10 sont connectés en série et alimentés par la batterie 2 par l'intermédiaire de l'interrupteur 12. A partir de cet instant, on commande alternativement l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur 12 (hacheur) de façon à déterminer le maintien des intensités i1 et i2 à une va- leur prédéterminée, et ceci se produit jusqu'à l'instant t4. Dans l'intervalle de temps compris entre les ins- tants t3 et t4, les intensités il et i2 sont égales; lorsque l'interrupteur 12 est fermé, ces intensités s'écoulent de la batterie 2 aux inducteurs 10 et 3 con- nectés en série; lorsque, au contraire, l'interrupteur est ouvert, les courants se referment à travers la diode 11 et les deux inducteurs 3 et 10. Dans une phase suivante (instant t4), l'inter- rupteur 16 se ferme et les interrupteurs 12 et 21 s'ou- vrent. Il en résulte que l'intensité t1 qui circule dans l'inducteur 10 se ferme à travers la diode 11, en dé- croissant selon une courbe exponentielle,tandis que l'in- tensité i2 décrit une demi-onde de sinusoïde qui décrott en atteignant à l'instant t5 une valeur égale à celle prise à l'instant t4 et de signe opposé. De même, la ten- sion vB aux bornes de l'interrupteur 21 décrit l'arc po- sitif d'une demi-onde. Au moment o cette tension tend à devenir négative, il se produit toutefois la polarisa- tion directe de la diode 23 et ceci détermine un court- circuitage du condensateur 20 et une décroissance expo- nentielle consécutive de l'intensité i2 vers la valeur nulle. Cette décroissance peut être avancée si l'on fer- me l'interrupteur 22 à l'instant t6; toutefois, ceci doit se produire dans le deuxième quart de période com- pris entre les instants t4 et t5. De cette façon, il est possible d'obtenir un retour à 0 plus rapide de l'inten- sité i2 circulant dans la charge 3. En conclusion, et en se reportant en particu- lier à la figure 3d, on observe que le transfert de l'in- tensité il de l'inducteur 10 à la charge inductive 3 se produit dans le temps d'une demi-période (indiquée par T1) et que, ensuite, il s'écoule une période, indiquée par T2, dans laquelle l'intensité du courant circulant dans la charge 3 est maintenue au-dessus d'une valeur mi- nimum et, finalement, une période indiquée par T3, dans laquelle l'intensité du courant circulant dans la charge 3 s'annule et change de signe pour, ensuite, décroître lentement vers la valeur 0. On peut encore réduire cette période T3 (en la ramenant à la valeur T4) en agissant convenablement sur l'interrupteur 21 conformément à ce qui a été décrit plus haut. En observant en particulier la variation de l'intensité i2, on peut observer que cette intensité at- teint rapidement la valeur Io, se maintient ensuite au- dessus d'une valeur minimum, pendant un temps (T2) dési- ré, puis diminue en changeant de signe dans une période (T3) qui est à nouveau limitée. La variation décrite ci- dessus est particulièrement avantageuse dans le cas o la charge 3 est constituée par un électro-aimant. En effet, ce dernier demande une intensité d'aimantation élevée (Io), qui lui est fournie dans un temps limité (Tl), une intensité supérieure à une valeur minimum pré- fixée pour être maintenu dans la position de commande pendant la période T2 et une intensité de signe opposé à celui des intensités précédentes, pour garantir la com- plète désaimantation du noyau de l'électro-aimant et pré- venir de cette façon les éventuels collages de l'armatu- re mobile. On décrira maintenant, en se reportant en parti- culier aux figures 1 et 4, un deuxième mode de fonction- nement du dispositif 1 qui est obtenu en commandant les interrupteurs 12, 16 et 21 selon une séquence différen- te. On observe en particulier que la commande des inter- rupteurs précités est conforme à celle décrite en regard de la figure 3 jusqu'à l'instant t2. A partir de cet ins- tant, les interrupteurs 13 et 17 sont maintenus ouverts et, étant donné que la tension vA change de signe sous l'effet du condensateur 20, la diode 18 est polarisée dans le sens direct, en déterminant par conséquent le court-circuitage du condensateur 20 et la diminution ex- ponentielle de l'intensité i2. A l'instant t3, l'inter- rupteur 17 se ferme et l'interrupteur 22 s'ouvre tandis que l'interrupteur 13 est maintenu ouvert. Il en résulte que l'intensité i2 décroît en décrivant une demi-période de sinusoide de façon à présenter un quart d'onde de si- gne positif et un quart d'onde de signe négatif. De fa- çon correspondante, la tension vB décrit une demi-onde positive de type sinusoidal et ceci se produit jusqu'à l'instant t4. Ensuite, on commande la fermeture de l'in- terrupteur 22 et l'ouverture de l'interrupteur 17. Dans ces conditions, la charge inductive 3 cède son courant à l'inducteur 10 qui se charge de telle manière que l'in- tensité il décrive un segment de sinusoide jusqu'à ce qu'elle atteigne, à l'instant t5, la valeur que l'inten- sité i2 avait à l'instant t4. A partir de l'instant t5, la tension vA tend à changer de signe et détermine par conséquent la polarisation directe de la diode 18, et le court-circuitage consécutif de la charge 3 et du conden- sateur 20, de sorte que l'intensité i2 se maintient au niveau 0. Cette polarisation directe de la diode 18 dé- termine en outre la diminution exponentielle de l'inten- sité il,qui tend progressivement vers 0. Si l'on désire avancer cette situation, on peut intervenir à l'instant t6 en déterminant l'ouverture de l'interrupteur 17 et la fermeture de l'interrupteur 22; ceci comporte un déclen- chement avancé de la phase de transfert du courant de la charge inductive 3 à l'inducteur 10, transfert qui se termine à l'instant t7. Les formes d'ondes correspondan- tes des intensités i1 et i2, ainsi que des tensions vA et vB sont indiquées en traits interrompus sur la figure 4. On se rappellera en particulier que les formes d'ondes illustrées sur les figures 3 et 4 ont été tra- cées en considérant comme égale à 0 la valeur de la ten- sion de polarisation directe des diverses diodes, et en considérant également l'inductance de la charge 3 et cel- le de l'inducteur 10 comme de valeur identique. On décrira maintenant le fonctionnement du dis- positif 25 en se reportant en particulier aux figures 2 et 5. A l'instant to, on ferme uniquement l'interrupteur 13, de sorte que l'intensité il s'élève de façon linêai- re jusqu'à atteindre une valeur prédéterminée IO à l'ins- tant t1 o l'on ouvre l'interrupteur 13, et on suppose que, théoriquement, l'intensité io se transfère instanta- nément au secondaire 32 du transformateur 30, en prenant la même valeur Io. Dans ces conditions (instant tl), on ferme l'interrupteur 22 et on maintienú l'interrupteur 17 ouvert, de sorte qu'il se produit un transfert de l'intensité i3 du secondaire 32 à la charge 3, selon une courbe du type sinusoidal. Lorsque l'intensité i2 at- teint la valeur Io (instant t2), la tension aux bornes du condensateur 20 change de signe, de sorte que la dio- de 18 est polarisée dans le sens direct, en mettant le condensateur 20 en court-circuit. Ceci détermine une di- minution exponentielle de l'intensité i2 jusqu'à l'ins- tant t3. Pour maintenir de toute façon cette intensité au-dessus d'une valeur minimum prédéterminée, on prévoit entre les instants t3 et t4 de fermer et d'ouvrir pério- diquement pendant un certain temps l'interrupteur 13 (hacheur). De cette façon, l'intensité i2 est maintenue dans les limites de la valeur préétablie, en tirant par- ti du comportement de l'inducteur 10 tel qu'il a été dé- -rit entre les instants tO et t2. Ceci se poursuit jus- qu'à l'instant t4, o l'on ferme l'interrupteur 17 et on ouvre l'interrupteur 22, de sorte que l'intensité i2 dé- crit une demi-période de sinusoide en passant d'une va- leur maximum, à l'instant t4, à une valeur minimum, de signe opposé et de même valeur,à l'instant t5. A partir de l'instant t5, la tension aux bornes du condensateur change de signe, en déterminant la polarisation direc- te de la diode 23; cette dernière met en court-circuit la charge 3 et le condensateur 20, en déterminant une di- minution exponentielle de l'intensité i2 à l'intérieur de la charge 3 précitée. Dans ce cas également, il est possible de déclencher en avance par rapport à l'instant t5 la phase de décroissance de l'intensité i2 si, à l'instant t6, on ferme l'interrupteur 22 de façon à pro- voquer en avance le court-circuitage de la charge 3 et du condensateur 20. Il est de toute façon indispensable que la fermeture de l'interrupteur 22 ne se produise qu'après que l'intensité i2 a pris le signe négatif. Les avantages que les dispositifs selon l'inven- tion permettent d'obtenir ressortent clairement de l'exa- men des caractéristiques de ces dispositifs. Tout d'abord, on atteint le but consistant à transférer dans des temps minimes des courants, même de forte intensité dans des éléments inductifs en disposant uniquement d'une basse tension et, en outre, d'une façon non dissi- pative, puisqu'on utilise uniquement des éléments tels que l'inducteur 10 et le condensateur 20. Par ailleurs, le nombre des interrupteurs électroniques utilisé est ré- duit à un minimum et, en particulier, ces interrupteurs peuvent être réalisés au moyen d'interrupteurs de type statique, du type MOSFET, avec tous les avantages qui en résultent. D'autres avantages qui peuvent être obtenus avec les dispositifs 1 et 25 sont essentiellement liés à l'annulation rapide de l'intensité sur la charge au mo- ment de l'extinction du courant sur la charge, la désai- mantation de l'utilisateur (qui est, par exemple, muni d'un noyau magnétique) au moment de l'extinction, grâce au courant de signe négatif, circulant dans la charge 2591-045 * et, en outre, la possibilité de maintenir le courant dans la charge pendant des temps indéfinis et sensible- ment d'une façon non dissipative. Un dernier avantage est lié à l'optimisation de l'inducteur 10, que l'on ob- tient en réalisant ce dernier avec une inductance de va- leur égale à celle de la charge. Il va de soi que diverses modifications pour- ront être apportées par l'homme de l'art aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, notamment par substitu- tion des moyens techniques équivalents sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 12 2591045 R E V E N D IC AT IO NS 1 - Dispositif destiné à transférer rapidement un courant électrique, engendré par des moyens d'alimen- tation à basse tension (2) prédéterminés, dans au moins une charge (3) de type inductif, caractérisé en ce qu'il comprend; un inducteur (10) connecté auxdits moyens d'ali- mentation en courant (2); un condensateur (20) destiné à être connecté en parallèle avec ladite charge inductive (3); et une pluralité de moyens interrupteurs (12, 16, 21) présentant un temps de réponse réduit et commandés de manière à connecter entre eux lesdits moyens d'alimen- tation (2), l'inducteur (10) et le condensateur (20) selon une pluralité de configurations de circuits dans L5 une séquence prédéterminée. 2 - Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il présente, sous l'aspect du circuit, essentiellement deux noeuds principaux (5, 6) connectés par une pluralité de branches dans lesquelles sont pla- cés les moyens d'alimentation (2), l'inducteur (3) et le condensateur (20). 3 - Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce qu'une première (7) desdites branches com- prend ledit inducteur (10), les premiers moyens interrup- teurs (12) et lesdits moyens d'alimentation en courant (2). 4 - Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce qu'une première (7) desdites branches est connectée audit inducteur (10) par l'intermédiaire de moyens de découplage électrique (30). - Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé en ce que lesdits moyens de découplage (30) sont constitués par un transformateur électrique dont un en- roulement secondaire (32) est connecté à ladite branche (7) et dont l'enroulement secondaire (31) est connecté audit inducteur (10). 6 - Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'une deuxième (8) desdites branches qui connectent les noeuds (5, 6) comprend des deuxièmes moyens interrupteurs (16)-. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une troisième (9) lesdites branches qui connectent entre eux lesdits noeuds (5, 6) comprend essentiellement des troisièmes moyens interrupteurs (21) connectés en série avec ledit condensateur (20), ce dernier étant adapté pour être con- necté en parallèle avec ladite charge inductive (3). 8 - Dispositif selon la revendication 7, carac- térisé en ce qu'il comprend une pluralité de troisièmes branches (9, 9'). 9 - Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits moyens in- terrupteurs (12, 16, 21) sont du type électronique. - Dispositif selon la revendication 9, carac- térisé en ce que lesdits moyens électroniques (12, 16, 21) sont essentiellement constitués par un interrupteur (13, 17, 22) en parallèle avec lequel est connecté un composant correspondant à conduction unidirectionnelle (14, 18, 23). 11 - Dispositif selon la revendication 10, ca- ractérisé en ce que lesdits moyens interrupteurs électro- niques sont du type MOSFET.