Brevet FR2654878A1 — publié le 19910524

DESCRIPTION La présente invention concerne un système d'alimentation électrique impu Lsionnelle d'une charge. Elle s'applique notamment à l'alimentation électrique impulsionnelle d'un laser à vapeur métallique, un laser à vapeur de cuivre par exemple. On sait que dans un laser à vapeur métallique et en particulier dans un laser à vapeur de cuivre, on obtient une inversion de population en excitant la vapeur par des décharges électriques de grande puissance instantanée. L'énergie de ces décharges provient d'un générateur d'impulsions de puissance qui comporte des moyens d'accumulation d'énergie électrique (comportant eux-mêmes un condensateur ou un ensemble de condensateurs) préalablement chargés sous une tension électrique élevée. Ces moyens d'accumulation d'énergie électrique sont associés à des moyens de commutation par l'intermédiaire desquels ils se déchargent dans le laser. Ces moyens de commutation peuvent être associés à un ou des étages de compression magnétique qui permettent de diminuer la largeur temporelle des impulsions parvenant au laser. Un générateur d'impulsions de puissance est décrit dans l'article de J K MITTAL et al intitulé "Design and performance of a 20 watt copper vapour laser" et publié dans J Phys E: Sci Instrum 21 ( 1988) pp 388-392, auquel on se reportera. Le générateur décrit dans cet article comporte, en tant que moyens de commutation, un thyratron. D'autres générateurs connus comportent des dispositifs semiconducteurs de commutation (thyristors de type GTO ou transistors de type IGBT par exemple). Pour favoriser le commutation, il est également connu d'associer à ces dispositifs semiconducteurs de commutation des éléments magnétiques saturables (inductances saturables). A ce sujet, on pourra se reporter à l'article de H J BAKER et al intitulé "An efficient laser pulser using ferrite magnetic switches" et publié dans J Phys E Sci Instrum 21 ( 1988) pp 218-224. Les générateurs d'impulsions de puissance qui sont connus dans l'état de la technique, et donc les systèmes connus d'alimentation électrique impu Lsionnelle des lasers à vapeur de cuivre qui comportent ces générateurs, sont sujets à des instabilités qui se traduisent par des fluctuations de l'énergie de ces impulsions, et donc des fluctuations de l'énergie des impulsions lumineuses engendrées par les lasers. Ces fluctuations d'énergie sont en fait dues à la variation de la tension de recharge des moyens d'accumulation d'énergie électrique Cette variation de tension est elle-même due aux fluctuations de l'énergie électrique absorbée par le laser associé à ces moyens d'accumulation. Cette énergie absorbée dépend beaucoup des conditions de décharge dans la vapeur du laser. L'énergie électrique réfléchie au niveau de la "tête" du laser (vapeur, enceinte contenant cette dernière et électrodes de décharge dans la vapeur) se présente sous la forme d'une tension électrique variable aux bornes des moyens d'accumulation d'énergie électrique, tension qui, lors du cycle de charge suivant, conduit aux fluctuations mentionnées plus haut. Dans le cas des générateurs comportant des dispositifs semiconducteurs de commutation associés à des éléments magnétiques saturables, ces générateurs (et donc les systèmes dont ils font partie) sont de plus sujets à des instabilités qui se traduisent par une gigue c'est-à-dire une instabilité de position temporelle des impulsions électriques fournies au laser Cette gigue est inadmissible lors de la mise en série de plusieurs lasers fonctionnant en tant qu'amplificateurs. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients d'instabilité que présentent les systèmes connus d'alimentation des lasers à vapeur métallique et notamment des lasers à vapeur de cuivre, en résolvant le problème de la maîtrise de l'énergie électrique stockée dans les moyens d'accumulation que comportent ces systèmes. Plus généralement, la présente invention vise à remédier aux inconvénients d'instabilité que présente un système d'alimentation électrique impulsionnelle d'une charge dont l'impédance n'est pas adaptée à ce système et fluctue au cours du temps (ce qui est le cas des lasers à vapeur métallique dont l'adaptation serait d'ailleurs nuisible à leurs performances) et qui réfléchit de ce fait une partie, fluctuant dans le temps, de l'énergie électrique qu'elle reçoit. Pour remédier à ces inconvénients, le système objet de l'invention comprend des moyens pour dérouter l'énergie électrique réfléchie par la charge, de telle façon que cette énergie réfléchie ne retourne pas vers le générateur d'impulsions électriques (et ne retourne donc pas vers les moyens d'accumulation d'énergie électrique que comporte ce générateur). De façon précise, la présente invention a pour objet un système d'alimentation électrique impulsionnelle d'une charge, ce système comprenant: un générateur d'impulsions électriques, prévu pour fournir ces impulsions à la charge, et des moyens d'alimentation électrique continue du générateur, système caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens prévus pour dérouter l'énergie électrique susceptible d'être réfléchie par la charge après que celle-ci a reçu une impulsion électrique de la part du générateur, de façon que l'énergie électrique réfléchie prenne un chemin différent de celui qu'a suivi cette impulsion et ne s'en aille pas au générateur. Le système objet de l'invention peut comprendre en outre des moyens auxiliaires, prévus pour récupérer, au moins en partie, l'énergie électrique réfléchie et déroutée. Les moyens d'alimentation électrique continue peuvent comprendre: une source de tension électrique continue, et des moyens de régulation de cette tension, qui alimentent le générateur, et les moyens auxiliaires peuvent être en outre prévus pour transférer l'énergie électrique récupérée vers la source de tension. Selon un mode de réalisation particulier du système objet de l'invention, le générateur comprend: des premiers moyens d'accumulation d'énergie électrique, qui sont chargés en énergie électrique par les moyens d'alimentation électrique continue, des premiers moyens de commutation dont la fermeture provoque la décharge des premiers moyens d'accumulation d'énergie électrique et que l'on ouvre à la fin de cette décharge, un transformateur comportant: un premier bobinage relié aux premiers moyens d'accumulation d'énergie électrique par l'intermédiaire des premiers moyens de commutation, et un deuxième bobinage ainsi qu'un troisième bobinage, et des deuxièmes moyens d'accumulation d'énergie électrique qui sont reliés, d'un c 8 té, au deuxième bobinage et, de l'autre, à la charge, les premier et deuxième bobinages étant couplés pour permettre le transfert de l'énergie électrique des premiers moyens d'accumulation vers les deuxièmes moyens d'accumulation lors de la fermeture des premiers moyens de commutation, et les moyens prévus pour détourner l'énergie électrique réfléchie comprennent le troisième bobinage, ce dernier étant prévu pour capter, par couplage avec le deuxième bobinage, l'énergie électrique réfléchie, accumulée dans les deuxièmes moyens d'accumulation d'énergie électrique. Les moyens auxiliaires peuvent comprendre des troisièmes moyens d'accumulation d'énergie électrique qui sont reliés au troisième bobinage. Les moyens auxiliaires peuvent comprendre en outre des deuxièmes moyens de commutation par l'intermédaire desquels les troisièmes moyens d'accumulation sont reliés à la source de tension. Les premiers et deuxièmes moyens de commutation peuvent être des dispositifs semiconducteurs de commutation. De préférence, le générateur comprend en outre des moyens de compression magnétique par l'intermédiaire desquels la charge reçoit l'impulsion électrique. Ces moyens de compression magnétique peuvent être reliés, d'un côté, aux deuxièmes moyens d'accumulation d'énergie électrique et, de l'autre, à la charge. Enfin, cette charge peut être un laser à vapeur métallique. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un système conforme à l'invention, la figure 2 est un schéma électrique d'un mode de réalisation particulier du système objet de l'invention, et la figure 3 est un schéma électrique partiel d'une variante de réalisation du système représenté sur la figure 2. Le système conforme à l'invention, dont le schéma fonctionnel est représenté sur la figure 1, comprend successivement une source de tension électrique continue 2, qui est alimentée par une source d'énergie électrique 4, un régulateur de cette tension 6, un générateur d'impulsions 8, qui est alimenté par le régulateur 6, et des moyens 10 pour dérouter l'énergie électrique réfléchie par une charge désadaptée 12 à laquelle le générateur envoie des impulsions électriques. Le système dont le schéma est représenté sur la figure 1 comprend aussi des moyens 14 prévus pour récupérer l'énergie électrique réfléchie par La charge 12 et déroutée et pour envoyer cette énergie réfléchie et déroutée à la source de tension 2. De préférence, La récupération de l'énergie réfléchie est contrôlée, c'est-à-dire que, de préférence, on ne la récupère pas totalement mais qu'on n'en récupère qu'une quantité déterminée (voir plus loin). On voit donc que, dès son apparition, l'énergie réfléchie est aiguillée vers un chemin différent de celui qui est suivi par l'énergie incidente, pour aboutir aux moyens de récupération 14, en contournant notamment le régulateur de tension 6 et le générateur d'impulsions 8, ce qui permet au régulateur 6 et au générateur 8 de travailler dans de bonnes conditions sans être perturbés. De ce fait, les impulsions électriques fournies par le générateur 8 sont très stables en énergie et en position temporelle. Sur la figure 2, un exemple de réalisation de l'invention est représenté sous forme d'un schéma électrique dans lequel on retrouve les divers composants du système représenté sur la figure 1. Sur la figure 2, la source d'énergie 4 est le réseau triphasé et la charge 12 est par exemple un laser à vapeur de cuivre. La source de tension continue 2 comprend six diodes Dl à D 6, une inductance Li et un condensateur Cl Les cathodes des diodes D 2, D 4 et D 6 sont respectivement reliées aux anodes des diodes Dl, D 3 et D 5 dont les cathodes sont reliées à une borne de L'inductance LI L'autre borne de LI est reliée à une borne ai du condensateur Cl dont l'autre borne a 2 est reliée aux anodes des diodes D 2, D 4 et D 6 Les trois conducteurs du réseau triphasé 4 sont respectivement reliés aux anodes des diodes D 1, D 3 et D 5. On obtient ainsi une source de tension filtrée mais non stabilisée. On stabilise la tension continue ainsi obtenue et on améliore son filtrage au moyen d'un transistor K 1 et d'un condensateur C 2 et l'amplitude de cette tension est ensuite doublée au moyen d'un circuit oscillant comprenant une inductance L 2 et un condensateur C 3 qui constitue ici les moyens d'accumulation de l'énergie électrique que l'on veut envoyer à la charge 12. Le transistor K 1 est par exemple un transistor IGBT de type NPN Il est associé à une carte de commande CC 1, qui commande le transistor K 1 en tout ou rien, et le condensateur C 3 est associé à un transistor K 2 qui peut aussi être un transistor IGBT de type NPN et qui est également muni d'une carte de commande CC 2. La carte CC 1 comporte deux entrées qui constituent ensemble une entrée différentielle et qui sont respectivement reliées aux bornes bl et b 2 de C 2. La carte CC 1 comporte aussi une sortie qui commande la base du transistor K 1. La borne al de Cl est également reliée au collecteur de K 1 et la borne a 2 de C 1 est également reliée à la borne b 2 de C 2. L'autre borne bl de C 2 est reliée à l'émetteur de K 1 ainsi qu'à l'anode d'une diode D 7 dont la cathode est reliée à l'une des bornes de l'inductance L 2 L'autre borne de L 2 est reliée à une borne cl de C 3 dont l'autre borne c 2 est reliée à b 2. La carte CC 2 comporte une entrée qui est reliée à des moyens M constituant l'horloge du système et permettant de commander, par l'intermédiaire de CC 2, la fermeture et l'ouverture du commutateur que constitue le transistor K 2 en fonction des exigences de charge-décharge du condensateur C 3, la carte CC 2 comportant également une sortie qui commande la base du transistor K 2 L'émetteur de ce dernier est relié à la borne c 2 du condensateur C 3. Dans le cas de la figure 2, le régulateur de tension 6 comprend le commutateur (transistor) K 1 et le condensateur C 2 et le générateur d'impulsions 8 comprend le commutateur K 2, le condensateur C 3 ainsi que des bobinages P 1, 51 d'un transformateur, une inductance saturable L 3 et des condensateurs C 4 et C 5 dont il sera question par la suite. L'inductance L 2 a une fonction de séparation entre le régulateur de tension 6 et le générateur d'impulsions 8. La diode D 7 permet un bon transfert d'énergie électrique de C 2 vers C 3 en évitant que cette énergie ne retourne à C 2. Le système représenté sur la figure 2 comprend également un transformateur T 1 à trois enroulements ou bobinages P 1, Sl et 52 Une borne du bobinage Pl est reliée au collecteur du transistor K 2 et son autre borne est reliée à la borne cl du condensateur C 3 par l'intermédiaire d'une inductance saturable L 5. Cette dernière a une fonction d'aide à la commutation. Le bobinage Pl joue le rôle d'un bobinage primaire tandis que le bobinage Sl joue le rôle d'un bobinage secondaire. Les bornes de SI sont respectivement reliées aux bornes dl et d 2 d'un condensateur C 4 Les bornes el et e 2 d'un autre condensateur C 5 sont respectivement reliées aux électrodes du laser 12 De plus, les bornes d 2 et e 2 sont reliées l'une à l'autre et la borne dl est reliée à la borne el par l'intermédiaire d'une inductance saturable L 3. Le bobinage 52 joue le rôle d'un bobinage secondaire vis-à-vis de 51 Une borne de 52 est reliée à l'anode d'une diode D 9 dont la cathode est reliée à une borne fl d'un condensateur C 6 L'autre borne f 2 de ce condensateur C 6 est reliée à l'autre borne de 52. Dans le cas de la figure 2, les moyens 10 pour dérouter, ou aiguiller, l'énergie réfléchie par le laser 12 comprennent le bobinage 52 et la diode D 9; la récupération et le contrôle de cette énergie réfléchie sont obtenues grâce à un transistor K 3, une diode D 8, jouant le rôle d'une diode de roue libre, et une inductance L 4. Le transistor K 3 est par exemple un transistor IGBT de type NPN Il est muni d'une carte de commande CC 3 qui commande ce transistor en tout ou rien Cette carte comporte deux entrées qui forment ensemble une entrée différentielle et qui sont respectivement reliées aux bornes fl et f 2 de C 6. La carte CC 3 comporte également une sortie qui commande la base du transistor K 3 Le collecteur de ce dernier est relié à la borne fl de C 6 et l'émetteur du transistor K 3 est relié à la cathode de la diode D 8 dont l'anode est reliée à la borne f 2 de C 6. De plus, la cathode de la diode D 8 est reliée à une borne de l'inductance L 4 dont l'autre borne est reliée à la borne al du condensateur C 1 et l'anode de la diode D 8 est également reliée à la borne a 2 de ce condensateur C 1. On donne ci-après des indications sur le fonctionnement du système représenté sur la figure 2. Lorsqu'une impulsion de déclenchement issue des moyens M provoque la fermeture du commutateur K 2, le condensateur C 3 transfère son énergie vers le 1 1 condensateur C 4 par oscillation de l'inductance de fuite du bobinage primaire Pl par rapport au bobinage secondaire 51 du transformateur T 1 Dès la fin du transfert, c'est-à-dire dès que le courant à travers le transistor K 2 s'annule, les moyens M commandent l'ouverture du commutateur que constitue ce transistor K 2. Tous les circuits compris entre K 1 et le bobinage primaire Pl sont alors iso Lés des circuits situés en aval de Pl et ne sont donc pas perturbés par le comportement de ces circuits situés en aval de P 1. L'énergie de C 4 est ensuite transférée au laser 12 à travers l'étage de compression magnétique formé par le condensateur C 5 et par L'inductance saturable L 3. L'énergie réfléchie par le laser 12 revient charger le condensateur C 4 avec une polarité inverse de la polarité initiale Cette énergie réfléchie est alors transférée vers le condensateur C 6 par oscillation de l'inductance de fuite de 51 par rapport à 52 L'énergie réfléchie reste stockée dans le condensateur C 6 jusqu'à la fermeture du commutateur constitué par K 3 qui permet le transfert de l'énergie stockée dans C 6 vers C 1, par oscillation avec l'inductance L 4. La carte CC 3 de commande de K 3 mesure la tension aux bornes de C 6 et est pourvue d'un seuil réglable, tel que si cette tension est supérieure à ce seuil, la carte CC 3 commande la fermeture de K 3 Ainsi, il est possible de régler le seuil de façon à récupérer totalement l'énergie réfléchie par le laser. Cependant, le seuil peut être réglé de façon à ne laisser passer qu'une partie déterminée de l'énergie réfléchie, stockée dans C 4, pour permettre une démagnétisation complète de L 3 ultérieure Ceci est obtenu en provoquant l'ouverture de K 3 avant que L'énergie stockée dans C 6 ait été totalement transférée vers Cl. Le système décrit en faisant référence à la figure 2 permet de réduire la gigue des impulsions envoyées au laser 12 parce que la tension à laquelle est chargée C 3 est maintenue constante d'un déclenchement de K 2 à l'autre et que l'état de repos magnétique de L 3 est rendu indépendant du comportement de la charge, c'est-à-dire du laser 12. On notera, comme cela est d'ailleurs indiqué de façon classique par des points sur la figure 2, que les sens respectifs des bobinages de P 1, 51 et 52 sont tels que les inductions correspondantes soient dans le même sens. Les cartes CC 1 et CC 3 sont du genre de celles qui sont utilisées dans les alimentations électriques à découpage pour commander les transistors de puissance de telles alimentations La carte CC 2 assure la mise en forme des signaux issus des moyens M pour commander en tout ou rien le transistor K 2. On a indiqué plus haut que K 1, K 2 et K 3 pouvaient être des transistors IGBT Cependant l'un quelconque de ces transistors pourrait être remplacé par tout autre commutateur approprié tel qu'un thyristor GTO par exemple dont l'anode, la cathode et la gâchette seraient respectivement connectées comme le collecteur, l'émetteur et La base de ce transistor. Dans une variante de réalisation, on utilise une pluralité d'étages de compression magnétique au lieu d'un seul: on rajoute par exemple à l'étage L 3, C 5 un étage supplémentaire de compression magnétique comportant une inductance saturable L 6 (figure 3) et un condensateur C 7; Le laser 12 est, dans ce cas, monté entre les bornes gl et g 2 de C 7, la borne g 2 est reliée à la borne e 2 de C 5 et la borne gl est reliée à la borne el de C 5 par L'intermédiaire de L'inductance saturab Le L 6. REVENDICATIONS 1 Système d'alimentation électrique impulsionnelle d'une charge ( 12), ce système comprenant: un générateur ( 8) d'impulsions électriques, prévu pour fournir ces impulsions à la charge, et des moyens ( 2, 6) d'alimentation électrique continue du générateur, système caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 10) prévus pour dérouter l'énergie électrique susceptible d'être réfléchie par la charge après que celle-ci a reçu une impulsion électrique de la part du générateur, de façon que l'énergie électrique réfléchie prenne un chemin différent de celui qu'a suivi cette impulsion et ne s'en aille pas au générateur. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens auxiliaires ( 14), prévus pour récupérer, au moins en partie, l'énergie électrique réfléchie et déroutée. 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation électrique continue comprennent: une source ( 2) de tension électrique continue, et des moyens ( 6) de régulation de cette tension, qui alimentent le générateur ( 8), et en ce que les moyens auxiliaires ( 14) sont en outre prévus pour transférer l'énergie électrique récupérée vers la source de tension. 4 Système selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que le générateur ( 8) comprend: des premiers moyens (C 3) d'accumulation d'énergie électrique, qui sont chargés en énergie électrique par les moyens d'alimentation électrique continue, des premiers moyens de commutation (K 2) dont la fermeture provoque la décharge des premiers moyens (C 3) d'accumulation d'énergie électrique et que l'on ouvre à la fin de cette décharge, un transformateur (T 1) comportant: un premier bobinage (P 1) relié aux premiers moyens (C 3) d'accumulation d'énergie électrique par l'intermédiaire des premiers moyens (K 2) de commutation, et un deuxième bobinage ( 51) ainsi qu'un troisième bobinage ( 52), et des deuxièmes moyens (C 4) d'accumulation d'énergie électrique qui sont reliés, d'un côté, au deuxième bobinage (Sl) et, de l'autre, à la charge ( 12), les premier et deuxième bobinages étant couplés pour permettre le transfert de l'énergie électrique des premiers moyens d'accumulation (C 3) vers les deuxièmes moyens d'accumulation (C 4) lors de la fermeture des premiers moyens de commutation (K 2), et en ce que les moyens prévus pour détourner l'énergie électrique réfléchie comprennent le troisième bobinage ( 52), ce dernier étant prévu pour capter, par couplage avec le deuxième bobinage ( 51), l'énergie électrique réfléchie, accumulée dans les deuxièmes moyens (C 4) d'accumulation d'énergie électrique. Système selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que les moyens auxiliaires comprennent des troisièmes moyens (C 6) d'accumulation d'énergie électrique qui sont reliés au troisième bobinage ( 52). 6 Système selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que les moyens auxiliaires comprennent en outre des deuxièmes moyens (K 3) de commutation par L'intermédaire desquels Les troisièmes moyens d'accumulation (C 6) sont reliés à la source de tension. 7 Système se Lon La revendication 6, caractérisé en ce que Les premiers et deuxièmes moyens de commutation (K 2, K 3) sont des dispositifs semiconducteurs de commutation. 8 Système selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que le générateur comprend en outre des moyens (L 3, C 5, L 6, C 7) de compression magnétique par L'intermédiaire desquels la charge ( 12) reçoit l'impulsion électrique. 9 Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le générateur comprend en outre des moyens (L 3, C 5, L 6, C 7) de compression magnétique qui sont reliés, d'un côté, aux deuxièmes moyens (C 4) d'accumulation d'énergie électrique et, de l'autre, à la charge ( 12), et par l'intermédiaire desquels cette charge ( 12) reçoit l'impulsion électrique. Système selon L'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la charge ( 12) est un laser à vapeur métallique.