Brevet FR2606228A1 — publié le 19880506

La présente invention se rapporte à un dispositif de contrôle à la sortie d'une unité d'alimentation en courant haute fréquence permettant de contrôler le courant à la sortie de cette unité d'alimentation que l'on utilise pour un tel circuit d'alimentation en courant chargé par un générateur de plasma, un réchauffeur à induction et un circuit en résonance, par exemple. Traditionnellement, on prévoit un inverseurà semi- conducteurs qui est utilisé pour le circuit afin de produire un courant haute fréquence pour permettre à un certain nombre de bras d'accomplir respectivement des opérations en va-et-vientet dedevenir alternativement passants et non passants avant de convertir éventuellement le courant continu en un courant haute fréquence spécifique. Parmi une grande variété de systèmes conventionnels dont on dispose pour contrôler le courant à la sortie de l'inverseur semiconducteur, il y a un système pour faire varier la tension ou le courant de la puissance fournie à l'inverseur à semiconducteurs par application d'un thyristor. Cependant, ce système est de construction compliquée, ce qui diminue le facteur de puissance. De plus, du fait de la vitesse lente de réponse à une charge variable, des éléments peuvent facilement être détruits par un excès de courant lorsque la charge est mise en court-circuit ou par une surtension lorsque la charge est libérée. Par ailleurs, il y a un autre système convention- nel utilisé pour contrôler le courant à la sortie d'un inverseur à semiconducteurs dans lequel, si un circuit en résonance forme la charge, la fréquence à la sortie de l'inverseur est contrôlée de manière variable. Lorsque la fréquence à la sortie de l'inverseur à semiconducteursest identique à la fréquence de résonance à la sortie du circuiten résonance qui forme sensiblement la charge, le système désigne cette fréquence comme étant la sortie maximale, c'est-à-dire la résonance en série. En se basant sur cela, le système contrôle de manière 2 2606228 variable la sortie de l'inverseur à semiconducteurs en élevant soit la fréquence à la sortie de cet inverseur à un niveau spécifique supérieur à la fréquence de résonance ou inversement en l'abaissant à un niveau spécifique plus faible que la fréquence de résonance. Néanmoins, lorsque le système contrôle de manière variable la fréquence à la sortie de l'inverseur à un niveau plus faible que la fréquence de résonance, un état de court-circuit peut facilement avoir lieu avec le courant pendant la période de récupération de la diode en volant qui forme sensiblement l'inverseur, et traditionnellement, la fréquence de sortie est établie à un niveau supérieur à la fréquence de résonance. Par suite, le système nécessite inévitablement de maintenir la fréquence de résonance du circuiten résonance à un niveau spécifique plus faible que la fréquence maxi- male de fonctionnement de l'inverseur à semiconducteurs, et ainsi le fonctionnement du circuit en résonance formant la charge peut être retenu par l'inverseur à semiconduc- teurs lui-même. Par ailleurs, la caractéristique variable de la puissance à la sortie du circuit enrésonance formant la charge est affectée de manière néfaste par Q qui est l'acuité voulue de résonance de ce circuit. En particulier, lorsqu'une valeur moindre de Q est présente, même lorsque l'on élève le niveau de la fréquence à la sortie de l'inverseur, la puissance de sortie ne peut être totalement abaissée. Inversement, lorsqu'une valeur plus importante de Q est présente, la puissance à la sortie de l'inverseur peut changer de manière significative,même par la plus légère variation de la fréquence, ce qui rend difficile à l'un de ces systèmes conventionnels de contrôler correc- tement la puissance de sortie. La présente invention se rapporte à un dispositif de contrôle de sortie d'une source d'alimentation en courant haute fréquence pour contrôler en toute sécurité la puissance à la sortie d'un inverseur à semiconducteurs 3 2606228 comprenant: deux circuits de synchronisation de phases qui sont respectivement prévus pour coopérer avec chacun des deux bras de l'inverseur à semiconducteurs afin d'établir la fréquence de fonctionnement de deux inverseurs à semiconducteurs formant ces bras à une valeur spécifique, et un circuit de variation de différence de phase pour contrôler de manière variable la différence de phase entre ces deux circuits de synchronisation. La présente invention a pour objectif principal un nouveau dispositif de contrôle de l'alimentation en courant à haute fréquence présentant une construction simplifiée et un facteur plus important de puissance que tout système conventionnel de contrôle de sortie utilisant un thyristor, ainsi qu'une réponse plus rapide à une charge variable. La présente invention a pour second objectif un nouveau dispositif de contrôle de sortie d'une source d'alimentation en courant à haute fréquence permettant de contrôler facilement et sûrement la puissance à la sortie en la contrôlant efficacement indépendamment de la fréquence de résonance du circuit résonnant formant la charge. La présente invention a pour troisième objectif un nouveau dispositif de contrôle de la sortie d'une alimentation en courant à haute fréquence permettant de produire facilement et sûrement un courant à une extrême- ment haute fréquence, par exemple 500 kHz, et analogues. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 donne un schéma-bloc simplifié montrant la construction de base du dispositif de contrôle de la sortie d'une alimentation en courant haute fréquence 4 2606228 se rapportant à la présente invention; - la figure 2 est un schéma des temps montrant le fonctionnement des éléments essentiels du dispositif de contrôle montré sur la figure 1; et - la figure 3 donne un schéma-bloc simplifié de circuits du dispositif de contrôle de sortie d'une alimentation en courant haute fréquence s'appliquant à une charge en résonance. En se référant plus particulièrement aux dessins joints, on décrira ciaprès l'un des modes de réalisation préférés de la présente invention. Les dessins joints montrent respectivement le dispositif de contrôle de sortie se rapportant à une source d'alimentation en courant haute fréquence. On peut se référer aux figures 1 et 2, o quatre transistors Q1 à Q4 sont connectés les uns aux autres de façon à former un pont tandis que chacun de ceux-ci est respectivement connecté à des diodes volants Di à D4 en parallèle. La source E d'alimentation en courant continu est connectée aux deux extrémités des transistors Q1/Q2 et Q3/Q4, chacun formant le bras A1 et le bras A2. La partie primaire T1 du transformateur de sortie T est connectée à un point entre les bras A1 et A2, tandis que la partie secondaire T2 de ce transformateur T est connec- tée à un circuit en résonance LC qui fonctionne comme une charge et qui se compose d'un condensateur CI et d'une bobine L1. Chacune des deux unités de transistors Q1/Q2 et Q3/Q4, formant respectivement les bras A1 et A2, est attaquée par le circuit d'entraînement B de manière à pouvoir accomplir des opérations en va-etvient, tandis que chacune de ces deux unités de ces transistors est alternativement mise-en circuit et hors circuit à une durée utile de 50%. De manière concrète, comme le montre la figure 2, lorsque l'on attaque une paire de transistors Q1 et Q4 ou Q2 et Q3 de manière alternée en utilisant une différence 2606228 de phases 0, le courant de charge montré sur la figure 2 s'écoule à travers le circuit en résonance LC. Plus particulièrement, le courant de charge s'écoule à travers le circuit LC dans la direction montrée ci-dessous. Lorsque les transistors Q1 et Q4 sont activés, le courant de charge s'écoule dans la direction du transis- tor Q1 à Q4. Lorsque les transistors Q2 et Q4 sont activés, le courant de charge s'écoule dans la direction de la diode D4 au transistor Q2. Lorsque les transistors Q2 et Q3 sont activés, le courant de charge s'écoule dans la direction du transistor Q3 à Q2. Lorsque les transistors Q1 et Q3 sont activés, le courant de charge s'écoule dans la direction du transistor Q1 à la diode D3. Sur la figure 2, P signifie passant et NP signifie non passant et la courbe au bas de la figure donne le courant de charge. En conséquence, aucun courant n'est émis lorsque les transistors Q1 et Q3 restent en phase identique, tandis que le courant maximum est émis lorsque les-transis- tors Q1 et Q4 restent en phase identique et par suite, il est possible au dispositif de contrôle de sortie selon la présente invention de contrôler de manière variable le courant de sortie de zéro à la valeur maximale prédéter- minée en faisant varier la différence de phase entre les bras A1 et A2. La figure 3 donne un schéma-bloc simplifié des divers circuits du dispositif de contrôle de sortie d'alimentation en courant haute fréquence se rapportant à la présente invention lorsque ce dispositif s'applique à un réchauffeur à induction. Les éléments composants ayant des chiffres de référence identiques à ceux montrés sur la figure 1 sont de construction identique à ceux qui ont été décrits sur la figure 1, et donc leur description ne sera pas donnée ici. 6 2606228 La bobine de fonctionnement L2 qui forme sensi- blement un réchauffeur à induction est connectée au circuit résonnant LC qui forme la charge dans le bloc du circuit principal en série. Le condensateur C2 du bloc du circuit principal présente un transformateur de sortie de courant T pour la magnétisation en courant continu. Le transformateur CT détecte le courant de la charge pour application au circuit 10 de détection de charge en court-circuit, au circuit 11 de détection de courant et au circuit 12 limiteur de courant, respectivement. Le premier comparateur de phases 13, le premier circuit d'intégration 14, le premier oscillateur réglé en tension 15, le premier circuit de division 16 et le circuit de retard de phase de 90 17 constituent respecti- vement la boucle principale de synchronisation de phases qui se verrouille à 90 de la phase. L'une des bornes d'entrée du premier comparateur de phases 13 reçoit un signal qui a été converti du courant de sortie en un créneau par le circuit 11 de détection de courant, provoquant une avance de phase de 90 . L'autre borne d'entrée reçoit un signal émis par l'oscillateur 15 réglé en tension via le premier circuit d'intégration 14 formant un filtre passe-bas puis il est divisé en deux par le premier circuit de division 16 de manière que la durée utile puisse être réduite de manière correcte à 50% avant de permettre éventuellement au circuit 17 de retard de phase de 90 de retarder la phase de 90 . Ensuite, la fréquence à la sortie de la source d'alimentation en courant haute fréquence est traitée par la boucle principale de synchronisation de phasesde manière que cette fréquence puisse correspondre correcte- ment à la fréquence de résonance du circuit résonnant de charge LC à la puissance maximale de sortie. Le second comparateur de phases 18, le second circuit d'intégration 19, le second oscillateur réglé en tension 20, et le second circuit de division 21 constituent 7 2606228 respectivement la boucle de synchronisation de phases qui bloque la phase à 0 et produit un signal à une différence de phase 0 L'une des bornes d'entrée du second comparateur de phases reçoit un signal retardé en phase de 90 à la sortie du circuit à retard 17 de la boucle principale. L'autre borne d'entrée du second comparateur de phases 18 reçoit un signal qui a été émis par le second oscillateur réglé en tension 20 via le second circuit d'intégration 19 puis divisé en deux par le second circuit de division 21 avant de réduire correctement la durée utile à 50%.- La borne d'entrée du second circuit d'intégration 19 reçoit le courant continu du circuit de sortie 22 qui se compose d'une résistance variable ainsi qu'un signal du second comparateur de phases 18, tandis que cette entrée est connectée au circuit limiteur de courant 12 qui force la différence de phase 0 du courant de sortie à diminuer lorsque le courant à la sortie du circuit limiteur de courant 12 dépasse une valeur spécifique. Les signaux à la sortie de ces deux boucles sont alors appliqués à une paire de circuits d'attaque B1 et B2 respectivement en rapport avec les bras A1 et A2 par des circuits d'addition de temps mort 23 et 24 et des circuits de coupure de sortie et de retour 25 et 26 respectivement. Les circuits d'addition 23 et 24 forcent les transistors Q1 à Q4 à retarder légèrement leurs opérations de sortie pour empêcher tous les transistors Q1 à Q4 de devenir simultanément passants. Les circuits de coupure de sortie et de retour 25 et 26 détectent respectivement un excès de courant comme une charge en court-circuit en utilisant un circuit 10 de détection de court-circuit lorsque la réponse du circuit limiteur de courant 12 est trop tardive puis coupent la sortie et la restaurent dès que l'excès de courant est supprimé. Le dispositif de contrôle de sortie d'une source d'alimentation en courant haute fréquence ayant la 8 2606228 construction ci-dessus décrite, lorsqu'il est appliqué à un réchauffeur à induction, permet en toute sécurité de changer la différence de phase 0 entre zéro et un maximum de 180 en contrôlant de manière variable le courant continu s'écoulant à travers le circuit de sortie 22. Par suite, cela permet au dispositif selon la présente invention de contrôler de manière variable le courant continu de sortie de zéro jusqu'à la valeur maximale prédéterminée en appliquant efficacement la différence de phase 0, permettant ainsi à la sortie de la bobine L2 d'être contrôlée de manière satisfaisante. L'inverseur à semiconducteurs selon la présente invention concerne les transistors Q1 à Q4 et les circuits d'attaque B, B1 et B2 attaquant ces transistors. De même, deux unités des circuits de synchronisa- tion de phases concernent respectivement le premier comparateur de phases 13, le premier circuit d'intégration 14, le premier oscillateur réglé en tension 15, le premier circuit de division 16 et le circuit à retard de phase de 90 17 constituant la boucle principale de synchronisation de phases et également le second compara- teur de phases 18, le second circuit d'intégration 19, le second oscillateur réglé en tension 20, et le second circuit de division 21constituant l'autre boucle respecti- vement. Le circuit faisant varier la différence de phase concerne le circuit de sortie 22. R E V E N D I CA TI 0 N Dispositif de contrôle à la sortie d'une unité d'alimentation en courant haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend: un inverseur à semiconducteurs convertissant un courant continu en un courant à haute fréquence en activant les fonctionnements en va-et-vient d'un certain nombre de bras (A1, A2) d'un certain nombre de semi- conducteurs qui sont reliés en pont en même temps que les mises en circuit et hors circuit desdits bras; une paire de circuits de synchronisation de phases (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 et 21) traitant respectivement lesdits bras et plaçant la fréquence de fonctionnement d'une paire de semiconducteurs constituant lesdits bras à une valeur spécifique; et un circuit de variation de la différence de phase (22) contrôlant le courant de sortie en faisant varier la différence de phase entre les deux moyens de synchronisation de phases.