Brevet FR2618957A1 — publié le 19890203

Dispositif d'alimentation électrique, en particulier pour un générateur d'ondes pour un radar à impulsions. L'invention concerne un dispositif d'alimentation électrique, et plus particulièrement ceux qui doivent fonctionner à fréquence élevée. Elle trouve une application dans la réalisation d'une alimen- tation stabilisée de radar et notamment de générateur hyper- fréquence ou tube à ondes progressives dans des radars à impulsions. Elle vise plus précisément les radars installés à bord de véhicules, tels que des avions ou autres engins aérospatiaux dans lesquels les considérations d'encombre- ment et de poids sont essentielles et qui sont destinés à fonctionner dans des conditions d'environnement difficiles. Dans la Demande de Brevet français N 82 08 516 déposée le 14 Mai 1982, la Demanderesse a proposé un dispositif d'alimentation d'un générateur d'ondes pour un radar à impul- sions comprenant un enroulement primaire connecté en série avec un commutateur électronique de puissance commandé à la fréquence de récurrence des impulsions produites par le radar ou à une fréquence multiple de. cette dernière, aux bornes d'une source de tension d'alimentation redressée et filtrée. Le primaire est enroulé autour d'un élément magnétique sur lequel sont bobinés une pluralité d'enroule- ments secondaires connectés chacun en série à une diode et à une capacité de filtrage. Ces capacités sont elles-mêmes mises en série. Plusieurs transformateurs de ce type peuvent être empilés en série avec des condensateurs branchés en parallèle au circuit série formé par chaque enroulement primaire afin de cumuler les tensions secondaires de chaque transformateur aux bornes de sortie THT de l'alimentation. Malheureusement, la mise en série de tels transformateurs afin d'alimenter des électrodes de tubes à hyperfréquence consommant des puissances différentes, exigerait une puis- sance ramenée au primaire de chaque transformateur différen- te d'un transformateur à un autre, ce qui conduirait à un déséquilibrage des charges ramenées au primaire desdits transformateurs qui empêcherait le bon fonctionnement du dispositif. Dans la Demande de Brevet français N 86 14336 déposée le 15 Octobre 1986, la Demanderesse a également proposé une alimentation haute fréquence comportant une source de tension reliée par l'intermédiaire d'un commutateur de puissance à deux enroulements primaires montés en parallèle et couplés magnétiquement à un circuit magnétique de forme générale rectangulaire. Des paires d'enroulements secondaires sont imprimées sur des substrats isolants, séparées par des élé- ments isolants et traversées perpendiculairement par les noyaux de circuit magnétique. Un tel dispositif permet d'obtenir d'excellentes performan- ces électriques, un encombrement aussi faible que possible et une réalisation industrielle simple. Néanmoins, la mise en série de plusieurs transformateurs de ce genre afin d'ali- menter des électrodes de tubes à hyperfréquence consommant des puissances différentes, conduirait inéluctablement à un déséquilibrage des charges ramenées aux primaires des- dits transformateurs. L'invention a pour but d'apporter une solution à ce problème. A cette fin, elle propose un dispositif permettant d'alimen- ter en très haute tension plusieurs électrodes de tubes à hyperfréquence consommant des puissances différentes sans introduire de déséquilibrage au niveau des charges ramenées au primaire du dispositif. L'invention porte sur un dispositif d'alimentation électri- que, en particulier pour un générateur d'ondes pour un radar à impulsions, du type comprenant un dispositif de régulation à découpage et un transformateur alimenté à une source basse tension. Selon une définition générale de l'invention, le primaire du transformateur comporte une pluralité d'enroulements primaires bobinés sur un même circuit magnétique et reliés chacun à la source de basse tension par un commutateur élec- trique de puissance commandé par un signal de régulation de tension à la fréquence de répétition des impulsions du radar, ou à un multiple de cette dernière, et que le secon- daire du transformateur comporte une pluralité de circuits secondaires dont chaque sortie est branchée en série entre les bornes de sortie THT du dispositif, chaque circuit secon- daire comprenant un enroulement secondaire bobiné sur le même circuit magnétique et monté en série avec un redresseur branché en opposition par rapport à la tension induite par le courant primaire, et un condensateur de filtrage en paral- lèle au circuit série formé par chaque enroulement secondaire et chaque redresseur. Plus particulièrement, la pluralité d'enroulements primaires est répartie entre une pluralité d'étages primaires horizon- taux montés en série entre les bornes d'entrée à basse ten- sion avec un condensateur en parallèle au circuit série formé par chaque étage primaire, les grilles de commande des commutateurs électriques de puissance relatifs à un étage primaire étant reliées les unes aux autres et comman- dées par un même signal de régulation. L'alimentation stabilisée ainsi réalisée selon l'invention comporte un transformateur se décomposant en une pluralité de primaires et de secondaires enroulés autour du même cir- cuit magnétique. Les charges ramenées aux primaires du trans- formateur sont identiques dans l'éventualité d'une alimenta- tion des électrodes du tube à hyperfréquence consommant des puissances différentes, ce qui équilibre les puissances transitées par les commutateurs de puissance reliant les enroulements primaires à la source basse tension. Selon une autre caractéristique de l'invention, les commuta- teurs électriques sont commandés en phase. Avantageusement, les commutateurs électroniques de puissance sont des transistors à effet de champ du type VMOS. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa- raitront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 illustre de façon schématique les éléments constitutifs et essentiels du dispositif selon l'invention; - les figures 2a et 2b sont des diagrammes de signaux de courant respectivement primaire et secondaire; et - la figure 3 est un diagramme illustrant les tensions pri- maires et secondaires du dispositif de la figure 1. Les dessins annexés comportent à de nombreux titres des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seule- ment servir à éclairer la description ci-après, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant. Sur la figure 1, la référence 2 désigne le dispositif d'ali- mentation électrique selon l'invention. Le dispositif 2 comprend une alimentation 10 conventionnelle raccordée à une source de tension (E) 12 pour l'alimentation d'un tube à ondes progressives 14 pour radar. Les signaux de la source 12 sont dérivés d'un réseau triphasé à bord d'un avion, convenablement redressé par un jeu de diodes tel que 18 pour fournir aux deux bornes d'entrée 20 et 21 de l'alimenta- tion 10, une tension redressée. Celle-ci est filtrée par un circuit de self L20 et un condensateur C21 puis par un circuit de self L22 et un condensateur C23. Dans un équipe- ment embarqué, la fréquence de la source 12 peut être par exemple 400 Hz et la tension redressée entre les bornes 20 et 21 peut avoir une valeur nominale d'environ 270 Volts, mais être sujette à des fluctuations entre 130 et 420 Volts moyens. Les circuits inductance L20-capacité C21 et inductance L22- capacité C23 font apparaître une tension continue entre les bornes 24 et 26. Cette tension continue peut être élabo- rée par une source de tension continue conventionnelle. Aux bornes de chacun des condensateurs C30-1, C30-2, C30-3 est branché un étage primaire 40 individualisé respectivement en 40-1, 40-2, 40-3. Bien entendu, le nombre d'étages peut être différent de 3. Chaque étage primaire 40 comprend p enroulements primaires 50 de transformateur bobinés chacun sur un même circuit magnétique 60. p est par exemple égal à 12. Chaque enroulement primaire 50 est relié à la source de basse tension par un commutateur électrique de puissance commandé par un signal de régulation de tension à la fréquence de répétition des impulsions du radar, ou à un multiple de cette dernière. Les commutateurs 70 sont cons- titués par exemple par un transistor de puissance à effet de champ du type VMOS. On peut utiliser, par exemple, à cet effet un transistor de la catégorie IRF 450 fabriqué par la Société International Rectifier, EtatsUnis. Un tel composant est capable de commuter, à des fréquences pouvant atteindre 200 à 300 kHz sous la commande de sa tension de grille 71, des courants pouvant atteindre 10 ampères. Sa tension de blocage peut atteindre 500 Volts. Les grilles de commande 71 des commutateurs électriques de puissance 70 relatifs à un étage 40 sont reliées les unes aux autres et sont commandées par un même signal de régulation de période T que l'on décrira ci-après. Les commu- tateurs électriques 70 sont tous commandés en phase. Aux 3 x p enroulements primaires 50 du transformateur haute tension 100 s'ajoutent n circuits secondaires comprenant chacun un enroulement secondaire 110, individualisé en 110-1 à 110-n, bobiné sur le même circuit magnétique 60. n est par exemple égal à 40. Chaque enroulement secondaire tel que 110-1 est connecté à une diode de redressement 112-1 dans un sens tel que, lorsque le commutateur 70-11 est pas- sant, la tension induite dans l'enroulement 110-1 prenne la diode 112-1 en sens inverse. Un condensateur 114-1 est connecté, en parallèle au circuit formé par l'enroulement -1 et la diode 112-1, entre deux bornes 120-1 et 120-2 qui forment les bornes de sortie du circuit secondaire ainsi constitué. Les circuits secondaires 1 à n sont connectés en série, de telle sorte qu'il apparaît, entre les bornes -1 et 120-n+l, une tension résultante qui est la somme des tensions continues individuelles aux sorties de chacun de ces circuits secondaires. Des diodes 130 individualisées en 130-1 à 130-n relient l'une des armatures des capacités 114 à la cathode des diodes 112. Par exemple, l'armature de la capacité 114-2 est reliée à la cathode de la diode 112-1 via la diode 130- 1. La diode 130-1 relie ainsi le circuit secondaire 110-1 au circuit secondaire 110-2. Ces diodes sont destinées à protéger les diodes 112 contre des surtensions parasites apparaissant au moment de leur reblo- cage. Entre les bornes 120-1 et 120-n+l est monté le tube à ondes progressives 14 qui comporte une cathode 141 reliée à la borne 120-n+l, un premier collecteur 142 relié à l'une des bornes de sortie 120, un second collecteur 143 relié à l'une des sorties 120 et une hélice 144 reliée à la borne de sor- tie 120-1. Les diodes 112 et 130 sont des éléments à temps de recouvre- ment très faible permettant un fonctionnement à la même fréquence que les commutateurs VMOS 70, ces diodes étant capables de supporter des tensions inverses élevées. Le dispositif 2 ainsi réalisé est un module à extra-rupture qui peut fonctionner en régime discontinu ou en régime con- tinu selon les valeurs relatives des selfs-inductance des primaires 50, de la période de commutation T de la grille de commande 71 et de la puissance de sortie. Dans la réali- sation ici décrite, on préfère un fonctionnement en mode i5 dit continu, c'est-à-dire dans lequel le courant à l'inté- rieur de chaque phase de fonctionnement des circuits primai- res et secondaires ne s'annule pas. On se réfère maintenant aux figures 2 et 3 qui illustrent le fonctionnement du dispositif selon l'invention. En fonc- tionnement, lorsque chaque commutateur 70 est passant pendant un temps R, inférieur à la période de commutation T et régulé en fonction de la tension de sortie à obtenir, un courant Ip croissant circule dans chaque enroulement 50. Il charge l'inductance primaire de chaque enroulement 50. Pendant ce temps, aucun courant ne circule dans chacun des enroule- ments secondaires 110 en raison du sens de montage choisi pour les diodes 112. Lorsque le signal de commande appliqué sur chaque grille 71 coupe chaque commutateur 70, le courant Ip cesse. Un courant Is décroissant circule dans chacun des enroulements secondaires 110 à partir de l'instant R de cette commutation, dans le sens de conduction des diodes 112 respectives. Ce courant 82, qui correspond à la décharge de chaque inductance 50, est interrompu à l'instant T o chaque commutateur 70 est à nouveau rendu conducteur (fin de la période de commande du commutateur de découpage). Si l'on considère la tension aux bornes de chaque enroulement primaire 50 et secondaire 112 (figure 3), on remarque que cette tension reste constante et égale à celle de la source de tension (E) 12 pendant la durée R pour les enroulements primaires 50, puis s'inverse lors de la coupure des commuta- teurs 70. Une tension Us apparaît alors entre les différen- tes bornes 120 de chaque circuit de sortie 110, ce signal de tension dure pendant toute la période s'écoulant de l'ins- tant R à l'instant T. Si l'on prend soin de prévoir une durée R supérieure à la durée T-R, la tension Us, dans le cas d'un rapport de transformation unitaire, est supérieure à la tension E. La tension apparaissant entre les bornes de sortie 120-1 et 120-n+l est égale à nxUs. Pour une tension Us de 700 Volts et un nombre n égal à 40, la tension de sortie du module 2 dans ces conditions est de l'ordre de 28 000 Volts. Les avantages du dispositif électrique selon l'invention sont les suivants: - possibilité de générer des tensions THT d'amplitude varia- ble en ajustant le nombre n d'étages secondaires de tension Us mises en série; - possibilité d'accroître la puissance de sortie de cette alimentation par l'adjonction de commutateurs de puissance sur les étages primaires horizontaux; - possibilité d'adapter le dispositif d'alimentation électri- que à des amplitudes différentes de la basse tension E par la modification du nombre d'étages primaires horizontaux montés en série entre les bornes d'entrée à basse tension; - alimenter seul l'ensemble des électrodes d'un tube hyper- fréquence à ondes progressives; - alimenter seul simultanément plusieurs tubes à-ondes pro- gressives. 9 - Revendications. 1. Dispositif d'alimentation électrique, en particulier pour un générateur d'ondes pour un radar à impulsions, du type comprenant un dispositif de régulation à découpage et un transformateur alimenté à une source basse tension (12), caractérisé en ce que le primaire du transformateur comporte une pluralité d'enroulements primaires (50) bobinés sur un même circuit magnétique (60) et reliés chacun à la source de basse tension (12) par un commutateur électrique de puissance (70) commandé par un signal de régulation de tension à la fréquence de répétition des impulsions du radar, ou à un multiple de cette dernière, que le secondaire du transformateur comporte une pluralité de circuits secondaires (110) dont chaque sortie est branchée en série entre les bornes de sortie (THT) du dispositif, chaque circuit secon- daire (110) comprenant un enroulement secondaire bobiné sur le même circuit magnétique (60) et monté en série avec un redresseur (112) branché en opposition par rapport à la tension induite par le courant primaire, et un condensa- teur de filtrage (114) en parallèle au circuit série formé par chaque enroulement secondaire (110) et chaque redresseur (112). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pluralité d'enroulements primaires (50) est répartie entre une pluralité d'étages primaires (40) horizontaux montés en série entre les bornes d'entrée à basse tension (24, 26) avec un condensateur (C30) en parallèle au circuit série formé par chaque étage primaire (40), les grilles de commande (71) des commutateurs électriques de puissance (70) relatifs à un étage primaire (40) étant reliées les unes aux autres et commandées par un même signal de régula- tion. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les commutateurs électriques (70) sont commandés en phase. 261-8957 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que les commutateurs électroniques de puissance (70) sont des transistors à effet de champ de type VMOS.