Brevet FR2668020A1 — publié le 19920417

La présente invention concerne un circuit d'alimentation pour une charge électrique comme une lampe à décharge, notamment pour projecteur de véhicule automobile. L'invention concerne aussi un projecteur alimenté par un tel circuit. Dans l'art antérieur, on a déjà proposé des dispositifs permettant de transformer la tension continue délivrée par la batterie portée par un véhicule en une tension variable dont la forme d'onde répond à des critères spécifiques liés à la technologie de la lampe à décharge. Les lampes à décharge, selon qu'elles sont éteintes ou allumées, nécessitent soit de très hautes tensions, soit des tensions plus basses. Quand ces lampes sont allumées, la forme du courant injecté joue un rôle important. La forme du signal est d'importance moindre lorsqu'il s'agit d'amorcer la décharge. L'impédance de la lampe étant très élevée lorsqu'elle est éteinte, et beaucoup plus basse lorsqu'elle est allumée, le montage se trouve nécessairement dans deux états. Néanmoins, le mode de fonctionnement peut être unique: c'est le cas du principal montage de l'état de l'art. I1 est avantageux mais non nécessaire d'avoir deux modes. Dans l'art antérieur, on a déjà proposé des solutions permettant d'engendrer par un convertisseur à partir de la tension continue provenant d'une batterie, une tension alternative dont la forme peut être paramétrée. Un premier inconvénient de ces circuits de l'art antérieur, est qu'ils présentent des pertes élevées lors de l'amorçage parce que lorsque la lampe est éteinte, ils appellent sur la source un courant considérable. Un troisième inconvénient de ces circuits de l'art antérieur est qu'ils comportent un nombre élevé de composants, en particulier des composants comme des capacités disposées du côté haute tension du circuit. Or, ces composants haute tension sont coûteux et moins fiables que ceux à tension réduite. De plus, les montages de l'état de l'art nécessitent souvent une réduction drastique des résistances parasites, ce qui est particulièrement difficile et coûteux lorsque la température ambiante est élevée. Un avantage de la présente invention est de permettre de limiter les éléments ou composants qui fonctionnent à haute tension. On améliore ainsi la fiabilité dans le temps du montage et on réduit son coût. Un autre avantage de la présente invention est de produire des formes de tension au secondaire, et donc aux bornes de la charge électrique, très proches de sinusoïdes et de toutes façons plus continues ou régulières que les formes d'onde de l'art antérieur. La présente invention vise à résoudre les problèmes indiqués ci-dessus et dans ce but concerne un circuit d'alimentation pour une charge électrique comme une lampe à décharge, notamment pour projecteur de véhicule; du type comportant un transformateur élévateur de tension dont le primaire est connecté à une source de tension continue de faible valeur, et le secondaire est connecté à au moins une lampe à décharge. L'invention se caractérise notamment en ce que le point froid du primaire du transformateur élévateur de tension est connecté à la masse du circuit via un interrupteur commandable quasi résonnant en tension multi(bi)-mode, présentant au moins deux modes de fonctionnement: un premier mode pour le mode d'amorçage de la lampe et un second mode pour le mode de maintien de la lampe. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description et des dessins annexés qui sont: - la figure 1: un schéma de principe du circuit d'alimentation selon l'invention; - les figures 2a à 2f: les courbes d'une façon préférée de commander l'amorçage du circuit de la figure 1; - les figures 3a à 3c: trois modes de réalisation d'un interrupteur quasi résonnant utilisé dans le circuit d'alimentation de l'invention; - la figure 4: un schéma équivalent d'un circuit d'alimentation dans un mode de fonctionnement en lampe allumée; - les figures 5a à 5e: les graphes, représentant les signaux électriques en courant et en tension au primaire du transformateur et décrivant le comportement du circuit de la figure 4; - la figure 6: un schéma d'un mode de réalisation préféré de l'invention. A la figure 1, on a représenté un schéma de principe d'un dispositif mettant en oeuvre l'invention. Une lampe à décharge 1, constituée par exemple par une lampe à arc à deux électrodes, est connectée au secondaire 13 d'un transformateur 5. Le primaire du transformateur est connecté d'une part à la borne positive d'une alimentation en courant continu non régulée, provenant par exemple d'une batterie embarquée à bord d'un véhicule quand l'invention est appliquée à un projecteur de voiture. L'autre borne, dite borne de point froid, ou point froid, est connectée à un interrupteur quasi résonnant en tension 7, multi(bi)-mode, c'est-àdire ici ayant deux modes de fonctionnement commandés par des commandes 8 et 9 produites par un circuit de commande 10. L'autre borne de l'interrupteur 7 est connectée à la masse 4 du circuit. Le circuit de l'invention permet de ne disposer de composants pratiquement que du côté basse tension. De ce fait, il n'y a pas de condensateur à haute tension dans le circuit de l'invention. Dans un mode de réalisation préférée de l'invention, le transformateur 5 présente des fuites magnétiques représentées sous forme de deux inductances dont une est placée en série au primaire 5. Si, au contraire, le transformateur présente une caractéristique de fuite insuffisante, une bobine auxiliaire est connectée en série avec le primaire. C'est l'une ou l'autre de ces inductances qui est indiquée par la référence 11 dans les figures 1 et 6. Dans le cas d'un transformateur présentant une caractéristique de fuite, la self de fuite 11 suffit à constituer l'élément selfique pour l'interrupteur quasi résonnant 7. De ce fait, on réduit au strict nécessaire le nombre de composants du circuit de l'invention, ce qui réduit le prix et améliore la fiabilité de ce dispositif. Le circuit d'alimentation 3, selon l'invention, d'autre part alimente un circuit secondaire dans lequel est placée une impédance d'adaptation 6 en fonction des caractéristiques de la lampe à décharge 1. Ce dipôle d'adaptation 6 est imposé par les caractéristiques physiques de la lampe à décharge. On remarque que le dipole 6 sert à modifier la forme des signaux et, qu'il ne supporte pas de hautes tensions puisqu'il est placé en série avec la lampe. A la figure 3a, on a représenté un premier mode de réalisation d'un interrupteur quasi résonnant à deux modes de fonctionnement. Un tel interrupteur comporte deux bornes 20 et 21, la borne 20 étant connectée à la sortie du primaire 12 du circuit de la figure 1 et la borne 21 étant connectée à la masse. L'interrupteur bimode de ce type de réalisation comporte deux interrupteurs commandables de manière séparée 22 et 23. L'interrupteur 22 comporte un élément de commutation 24, une capacité 25 et une diode 26 connectés en parallèle. L'interrupteur 23 comporte un élément de commutation 27, une capacité 28 et une diode 29 connectés en parallèle. Les deux interrupteurs 22 et 23 sont connectés en série entre les bornes 20 et 21 d'accès à l'interrupteur quasi résonnant en tension bi-mode, selon ce mode de réalisation. L'élément de commutation 24 de l'interrupteur 22 comporte une borne de commande 30 connectée au circuit de commande 10 de la figure 1, tandis que l'élément de commutation 27 de l'interrupteur 23 comporte une borne de commande 31 reliée au circuit de commande 10 de la figure 1. Selon l'invention, on propose une méthode de pilotage de ces deux interrupteurs 22 et 23 représentés à la figure 2, dans le premier mode d'alimentation: le mode d'amorçage de la lampe. Aux figures 2a à 2f, on a représenté successivement le courant, la tension aux bornes du secondaire, les états ouvert O ou fermé F des interrupteurs 24 et 27 de la figure 3a, ainsi que l'état passant P ou bloqué B des diodes D1 (diode 26 de la figure 3a) et D2 (diode 29 de la figure 3a). Dans un premier temps de 0 à t1 représenté en abscisses, les interrupteurs 24 et 27 sont fermés. Le courant traversant le circuit est donc croissant. A l'instant t1, les interrupteurs 24 et 26 sont ouverts, ce qui a pour effet de stopper la charge de lancer la décharge des capacités 25 et 28 de l'interrupteur. Cette décharge provoque l'apparition d'une tension d'amorçage représentée à la figure 2b. Le courant s'annule à l'instant t2 et prend une valeur minimum négative à l'instant t3 correspondant à l'annulation de la tension engendrée par l'interrupteur quasi résonnant. Cette annulation de la tension a pour effet de rendre les diodes D1 et D2 passantes. Le courant remonte donc jusqu'à une valeur nulle, atteinte à l'instant t4 qui termine un cycle courant d'amorçage. En notant 1m la valeur maximale du courant primaire, Lf et Lm les inductances de fuite (ou auxiliaire) ll et primaire, C1 la capacité 25 et C2 la capacité 29, on a montré que Vm2 = Im2 (Lf+ Lm > (C1+c2) / C1C2. En choisissant une valeur de C2 faible, grâce au rapport de transformation du transformateur 5 élévateur, la tension au secondaire 13 peut atteindre des valeurs importantes, suffisantes pour amorcer la lampe à décharge 1. Dans un exemple de réalisation, l'élément de commutation 27 est un transistor bipolaire. Un tel élément de commutation présente de faibles pertes par conduction et des pertes par commutation dont l'inconvénient est minimisé par le fait que le premier mode de fonctionnement n'est conservé que peu de temps puisqu'il est réservé au seul amorçage de la lampe. L'élément de commutation 24 du premier interrupteur 22 est choisi parmi des composants basse tension comme un transistor de commutation de type à effet de champ, à grille isolé dit MOSFET à canal N. Il a à ses bornes une capacité 25 élevée. Du fait que les deux interrupteurs de l'interrupteur bi-mode sont connectés en série, leurs rôles peuvent être échangés. D'autres modes de réalisation d'interrupteurs quasi résonnants bi-modes peuvent être réalisés qui ont été représentés notamment aux figures 3b et 3c. La figure 3b concerne un interrupteur bi-mode quasi résonnant en tension comportant des interrupteurs 32 et 33 qui sont connectés en parallèle. L'interrupteur 32 comporte une diode 34, une capacité 35 et un élément de commutation 36 avec sa borne de commande 37 connectés en parallèle. L'interrupteur 33 comporte une série constituée par une capacité 38 et un circuit parallèle comportant une diode 39 et un élément de commutation 40 et sa borne de commande 41. L'élément de commutation 36 est un composant à une tension relativement élevée. La capacité 35 à ses bornes est choisie d'une valeur assez faible, très inférieure à celle de la capacité 38 du second interrupteur. Dans celui-ci, l'élément de commutation 40 est un composant à une tension relativement haute. En mode d'amorçage, l'élément de commutation est ouvert. Il est fermé en mode de maintien. L'élément de commutation 36 est toujours oscillant. Dans un autre mode de réalisation, représenté à la figure 3c, l'interrupteur bi-mode comporte un premier interrupteur 42 comportant une diode 43, une capacité 44 et un élément de commutation 45 et sa borne de commande 46 montés en parallèle, et un second interrupteur 47 comportant en parallèle un condensateur 48, une diode 49 et un élément de commutation 50 et sa borne de commande 51. Dans ce mode de réalisation, la tension aux bornes du condensateur 44 est réduite tandis que la tension aux bornes du condensateur 48 est élevée, et les deux interrupteurs supportent des tensions élevées. A la figure 4, on a représenté le circuit électrique équivalent lors du fonctionnement du circuit de la figure 1 dans le second mode de résonnance de l'interrupteur bi-mode de la figure 3a. Dans ce mode de réalisation, l'interrupteur 23 de la figure 3a reste constamment fermé. A la figure 4, on a représenté les seuls éléments utilisés du circuit d'alimentation. Si l'on utilise l'interrupteur représenté à la figure 3a, l'interrupteur oscillant comporte l'élément de commutation 24 connecté en parallèle avec la diode 26 et le condensateur 25.La batterie est connectée en série à l'inductance de fuite 52, en série avec une self 53 caractéristique du primaire, montée en parallèle avec une association en série comprenant: l'inductance ramenée au primaire du secondaire 54, la capacité 55 du dipôle d'adaptation de la lampe à décharge ainsi que la résistance 56 équivalente de la lampe à décharge dans le mode de maintien, dit aussi mode allumé, et en série avec le schéma équivalent de l'interrupteur résonnant dans ce mode: un élément de commutation 24, une diode 26 et un condensateur 25. Aux figures 5a à 5e, on a représenté l'évolution dans le temps de la tension aux bornes du condensateur 25 (figure 5a), le courant i traversant l'inductance 57 (figure 5b), le courant iL traversant la lampe 56 (figure 5c) et des états bloqué/passant de la diode 26 et des états ouvert ou fermé de l'élément de commutation 24 dans le cas du circuit de la figure 4 lors du mode de maintien. L'interrupteur 24-26 fonctionne à une fréquence proche de la fréquence de résonnance du circuit secondaire comportant une inductance 54, la capacité 55 et la résistance 56 caractéristiques de la lampe. L'inductance 54, le condensateur 55 et la résistance 56 sont tels que l'impédance de leur association en série soit faible devant l'impédance de l'inductance 53. Cette dernière se comporte comme une source de courant. - Dans un premier temps, l'élément de commutation 26 est fermé et la tension d'alimentation est appliquée aux bornes de l'association série (52,54,55,56), l'influence de l'inductance 53 étant négligeable. Le courant iL (figure 5c) décrit une portion de sinusoïde caractéristique des composants 52,54,55,56. - Dans un deuxième temps, l'élément de commutation 24 est ouvert. Les inductances 52 et 54 se déchargent à travers le condensateur 25, aux bornes duquel apparaît une arche de sinusoïde v (figure 5a) caractéristique des composants 52,54,55,56,25. - Lorsque la tension v aux bornes du condensateur 25 retombe à zéro, la diode 26 se met à conduire (figure 5d). On se retrouve sur une sinusoïde caractéristique de l'association 52,54,55,56. - Quand le courant i au primaire (figure 5b) passe par zéro, la diode 26 se bloque, mais on a fermé préalablement l'élément de commutation 24 qui prend instantanément la suite. On revient ainsi dans l'état initial et on continue la sinusoïde entamée à la phase ou temps précédent. Le courant magnétisant im (non représenté) décrit une courbe d'amplitude peu élevée en raison des amortissements présentés par le circuit. De ce fait, le rendement du transformateur peut être élevé. A la figure 6, on a représenté un mode de réalisation d'un circuit d'alimentation dans un mode de réalisation préférée de l'invention. Le circuit comporte un circuit de commande représentatif du circuit de commande 10 de la figure 1. Les fils 8 et 9 de cette figure correspondent aux fils 90 et 71 du circuit de la figure 6. Ce circuit de commande est constitué principalement par un oscillateur commandé 60 connecté entre la tension batterie 61 et la masse 62. L'oscillateur commandé reçoit une commande 63 d'une logique de commande 64 qui reçoit des signaux 65 représentatifs du courant traversant la lampe et 66 caractéristique de la tension aux bornes de la lampe, mesurée par des moyens connus en eux-mêmes, et non représentés au dessin. La logique de commande 64 fournit un signal 67 de commande à un autre circuit logique 68 destiné à commuter un premier signal d'horloge 69 vers un premier interrupteur 70 et un second signal d'horloge 71 à un second interrupteur 72. Les fréquences et les phases de ces horloges sont déterminées par les circuits 64 et 68. L'interrupteur 70 comporte principalement un condensateur 73 et un élément de commutation 74 constitué par un transistor à effet de champ du type métal oxyde, dit MOSFET canal N présentant un caractéristique de diode entre ses bornes de source et de drain, la diode étant montée en anti-parallèle. De ce fait, ce composant 74 synthétise simultanément l'élément de commutation et la diode de l'interrupteur 22 de la figure 3a. D'autre part, l'interrupteur 72 comporte un élément de commutation 75, constitué par un transistor bipolaire, haute tension (400 Volts = VCE) et une capacité 76, connectés en parallèle avec une diode 77. La grille et la base des éléments de commutation 74 et 75 sont connectées aux sorties d'horloge 69 et 71 du circuit logique 68. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise, pour commander la grille du transistor 74 un système dit "à commande flottante" bien connu dans l'art antérieur. Un tel système comporte une paire de transistors complémentaires 79 et 80, respectivement NPN et PNP, dont les bases sont reliées en commun au signal d'horloge 69. Le transistor 79 comporte une borne de collecteur connectée à la tension batterie et une borne d'émetteur connectée à un point commun 81 avec la borne d'émetteur du deuxième transistor 80. Enfin, le collecteur du transistor 80 est connecté à la masse du circuit. Le point commun 81 des deux transistors 79 et 80 est connecté à une borne d'un condensateur de couplage 82. Le condensateur 82 de couplage est connecté d'autre part à une première borne d'un primaire 83 d'un transformateur 84. L'autre extrémité du primaire 83 est connectée à la masse. Le secondaire du transformateur 84 est connecté à deux transistors à effet de champ de type MOS, montés en bascule. Le transistor 86 comporte une électrode de source connectée à une première entrée 88 du secondaire 85. Le drain du transistor 87 est connecté à une autre extrémité 89 du secondaire 85. La grille du transistor 86 est connectée au point 89 tandis que la grille du transitor 87 est connectée au point 88. Les drains 90 du transistor 86 et 91 du transistor 87 sont connectés respectivement à la grille du transistor MOS à canal N 74 et au point commun 92 du drain du transistor 74 et du collecteur du transistor bipolaire 75. Ce point commun 92 est aussi connecté à des bornes communes des condensateurs 73 et 76 ainsi qu'à la cathode de la diode 77 de l'élément de commutation 72. Dans ce mode de réalisation, il est nécessaire de commander un retard lors de la manoeuvre commune des éléments de commutation 24 et 27 (ou 74 et 75) en mode d'amorçage notamment. De ce fait, au diagramme de la figure 2d, l'ouverture de l'élément de commutation 27 (ou 75) est retardée d'une durée t dépendant des caractéristiques du circuit de commande. En particulier, le retard sert à compenser le temps de déstockage du transistor bipolaire, afin que l'ouverture de 74 et 75 soit bien simultanée. La présente invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, mais au contraire peut s'étendre à d'autres composants bien connus de l'homme de métier. En particulier, on a choisi un transistor bipolaire capable de tenir des tensions de l'ordre de 800 Volts pour une lampe à décharge dont la tension maximale d'amorçage est de 12 kV. Ces valeurs dépendent des choix de composants et leur sélection est à la portée de l'homme de métier. Enfin, on a constaté que le concept de base de l'invention permet de réduire le nombre de composants d'un convertisseur de tension fonctionnant en au moins deux modes de résonnance, ayant des fréquences différentes. Le passage entre ces deux modes se fait simplement et la valeur des fréquences de fonctionnement dépend principalement des valeurs des capacités montées dans l'interrupteur multi(bi)-mode. Les fréquences dépendent également de l'inductance 11. L'invention s'applique aussi à d'autres charges électriques que les lampes à décharge, mais qui posent des problèmes d'alimentation de ce genre précité. REVENDICATIONS 1.- Circuit d'alimentation pour une charge électrique comme une lampe à décharge, notamment pour projecteur de véhicule, du type comportant un transformateur (5) élévateur de tension dont le primaire (12) est connecté à une source de tension continue de faible valeur (2) et le secondaire (13) est connecté à au moins une lampe à décharge (1), caractérisé en ce que le point froid du primaire est connecté à la masse (4) du circuit via un interrupteur (7) commandable (8,9,10) quasi résonnant en tension multi(bi)-mode, présentant au moins deux modes de fonctionnement: un premier mode pour le mode d'amorçage de la lampe et un second mode pour le mode de maintien de la lampe. 2.- Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur (5) présente une caractéristique de fuite importante au primaire (12). 3.- Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute une inductance bobinée (11) en série avec le primaire du transformateur (12). 4.- Circuit selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'interrupteur (7) comporte une série d'au moins deux interrupteurs (22,23), résonnant chacun sur des fréquences différentes. 5.- Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque interrupteur (22,23) comporte en parallèle une diode (26,29), une capacité (25,28) et un élément de commutation (24,27), et en ce que chaque élément de commutation (24 ou 27) comporte une borne de commande (30 ou 31), pilotant l'état ouvert ou fermé des éléments de commutation en fonction d'une logique de commande prédéterminée. 6.- Circuit selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'interrupteur est constitué par au moins deux interrupteurs (32 et 33) connectés en parallèle, résonnant chacun sur des fréquences différentes. 7.- Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'interrupteur (32) est constitué par un montage parallèle composé d'une diode (34), d'un condensateur (35) et d'un élément de commutation (36) doté d'une borne de commande (37), et en ce que le second interrupteur (33) est constitué par la mise en série d'un condensateur (38) et d'un circuit parallèle constitué d'une diode (39) et d'un élément de commutation (40) doté d'une borne de commande (41), les bornes de commande (37,41), pilotant l'état ouvert ou fermé des éléments de commutation en fonction d'une logique de commande prédéterminée. 8.- Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier interrupteur est constitué par la mise en parallèle d'une diode (43), d'un élément de commutation (45) doté d'une borne de commande (46) et d'un circuit monté en série constitué par une capacité (44) et un second interrupteur (47), et en ce que le second interrupteur (47) est constitué par la mise en parallèle d'une capacité (48), d'une diode (49) et d'un élément de commutation (50) doté d'une borne de commande (51), les bornes de commande (46 et 51), pilotant l'état ouvert ou fermé des éléments de commutation en fonction d'une logique de commande prédéterminée. 9.- Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit logique de pilotage (10;60-91) recevant des signaux permettant de sélectionner le mode de fonctionnement de l'interrupteur multi(bi)-mode (7;70,72) en fonction de la mesure de la tension aux bornes de la charge électrique (1) et du courant dans la charge électrique (1), l'interrupteur multi(bi)-mode comportant un premier interrupteur (70) fonctionnant à une première fréquence et un second interrupteur (72) fonctionnant à une seconde fréquence, le circuit logique de pilotage comportant notamment:: - un oscillateur (60) commandé (63) par une logique de commande (64) en fonction des mesures de courant (65) et de tension (66) sur la charge (2); - un circuit logique (68) destiné à engendrer au moins deux signaux d'horloge (69,71) controlés en phase et fréquence, activé par l'oscillateur (60) et commandé (67) par le circuit (64); - un système (79-89) dit à commande flottante transmettant un premier signal (90) sur la grille d'un transistor (74) de type MOSFET - canal N, présentant une caractéristique drain-source de diode anti-parallèle, de faible tension (VDS) et aux bornes duquel est connecté un condensateur (73) d'une première valeur, ensemble constituant le premier interrupteur (70) et un second signal (91) transmis au point commun (92) entre les deux interrupteurs (70,72); ; - le second interrupteur (72) comprenant un transistor bi-polaire haute tension (75) dont la base est pilotée par le second signal d'horloge (71) et dont le collecteur et l'émetteur sont connectés en parallèle avec une diode (77) et un condensateur (76) dont la capacité est de valeur plus faible que celle de la capacité du condensateur (73) du premier interrupteur (70). 10.- Projecteur de véhicule, caractérisé en ce qu'il est alimenté par un circuit d'alimentation selon l'une des revendications précédentes.