Brevet FR2666942A1 — publié le 19920320

0N.D:ULEIJR à résonance en continuité de circuit La présente invention se situe dans le domaine des onduleurs à résonance, gé- néralement à base de thyristors ou GTO çi procèdent par blocage anode-ca t hode, par coupure de circuit et commutation, avec transitoires de rupture nui sibles à la fiabilité et impliquant des dispositifs de protection compliquant beaucoup les montages sans assurer une sécurité totale.Pour remédier à ces défauts, l'obj et de la présente invention est un nouveau type d'onduleur à résonance-série, sans coupure de circuit, la source débitant sur un circuit unique de charge et décharge constitué uniquement de selfs, condensateurs et résistance de charge, en continuité L C R , sans ruptures ni transitoires.Le procédé consiste, à partir d'une source S continue ou alternative( par exemple le secteur 50 Hz), à charger un condensateur C en série avec une induct ance L et une résistance de charge de valeur équivalente à R, constituant un circuit de résonance-série L C R, et à le décharger à travers ce même circuit L C R en série avec un circuit d'opposition constitué d'un condensateur D shunté par une inductance de décharge M, cet ensemble MD présentant à ses bornes une tension redressée d'allure trapézoidalede fréquence F égale à la fréquence propre du circuit LCR, ce signal trapézoldal provenant du redressement d'une otcillation auxiliaire HF haute-fréquence beaucoup plus gran de que F et soumise à un découpage (modulation par interruptions)de fréquence F. L'oscillateur auxiliaire HF et son circuit de découpagene sont pas représentés sur la figure I qui montre seulement les 3 courbes essentielles (a) (b) (c) superposées èn coinadence en fonction du temps t en abscisses. La courbe (a) représente l'oscillation auxiliaire HF après découpage à fréquen- ce F. La courbe (b) représente la tension redressée aux bornes du condensateur D shunté par la self de décharge M. La courbe (c) représente le courant trasrersant le circuit LCR figure 2) et qui constitue le courant final de conversion, courant sinusoïdal dont l'alternance positive correspond au creux de la tension d'opposition ( b)donc à la charge normale de C par la source S en charge oscillante, et l'alternance négative-correspond au palier horizon t ai du signal d1oppo sitlon (b) de avaleur égale et en opposition avec la tension de la source S qui se trouve ainsi compensé, permettant la libre décharge de C à travers R en oscillation entretenue sinusoilale. L'oscillateur de fréquence F (non représenté)qui assure le découpage de l'oscillation auxiliai- re HF constitue donc le pilote ou Horloge du système, définissant sa fréquen ce F de conversion.L 'oscillateur auxiliaire HF, de très faible puissance, permet d'engendrer, après découpage et redressement, la tension d'o3posi- tion de la courbe (b) de forme trapézoidaleo Sur la figure 2, donnée à titre d'exemple non limitatif pour l'explicati on du p rocédé, I représente le circuit de découpage à fréquence F de l'oscilla- tion HF auxiliaire; 2 le transformateur de couplage aux deux diodes 3-4 de redressement des deux alternances, engendrant la tension détectée de f orme trapézoidale de la courbe (b) de la figure I. A noter que, sur cette courbe (b) la tension résiduelle HF de fréquence double de la porteuse n'a pas été représentée, étant de très faible valeur; La présence de cette ten siorb) unidirectionnelle aux bornes de la self M est rendue possible par le caractère transitoire de cette tension provenant de la détection d'une oscil 1 ation découpéo.~ La détection s'effectue sur le condensateur D , qui se décharge ensuite dans la self M, les valeurs respectives de D et de M étant établiespour se rapprocher au mieux de la forme trapézordale (b). L'inductance M sera choisie de valeur beaucoup plus petite que L afin de réduire à une faible valeur la tensi on inverse due au passage du courant principal; pour celà on prendra une fréquence HFaussi élevée que possible, par exemple de plusieurs MHz pour une fréquence de conversion de 25 kHz. L 'impédance de l'ensemble MD sera de valeur t rès faible à la fréquence F I1 est à noter que le maintien de la tension d'opposition (b)aux bornes de l'en semPle MD ne consomme qu'une très faible puissance sans rapport avec la puissance générée et constitue un circuit de pilotage.Pour simplifier l'expo sé, on a représenté sur la figure 2 une source S continue avec son pôle positif en haut de dessin relié au positif du condensateur D ( en haut également) portant la tension d'opposition.Il est évident que le fonctionnement reste identique si l'on inverse ces deux polarités, en inversant les polarités des deux di odes 3 et 4.Ainsi donc la source S peut être alternative (par exemple, le secteur 50 Hz), en commutant les polarités de la tension redressée sur D en synchronisme avec la tension alternative de la source Su la figure 3 indique un mode de réalisation simple de cette commutation par addition des deux diodes 5 et 6 donnant la polarité négative et des deux transistors complém entaires 7 et 8 assurant la commutation grâce à leurs bases réunies ensemble ,excitées en synchronisme avec la tension de la source S par un petit transformateur de couplage 9. La tension redressée sur D étant synchronisée sur 1 a polarité de la source S , le courant final engendré dans le circuit LCR reste le même, saur sa phase qui s'inverse d'une polarité à l1autre.Les deux transistors de commutation 7 et 8 sont de très faible puissance. Ce montage permet de réaliser des onduleurs sans redressement ni filtrage du secteur alternatif0 Un tel onduleur ne comporte aucun semi-conducteur de puissance. D ans tous ces montages, on peut faire varier progressivement la puissance de sortie en so'tettant le signal (b) ,découpé à fréquence F, à une deuxieme m odulation par interruptions à une fréquence TBF (très basse fréquence), à l'aide d'un signal rectangulaire de rapport cyclique variable, qui arrente ou rétablit le signal d'opposition (b), arrêtant ou rétablissant l'oscillation entretenue du circuit LCR, et permettant de régler à volonté la puissance moyenne. S ur les figures 2 et 3, la résistance R représente la résistance série équiva1 ente à la résistance de charge de l'onduleur ; une variante consiste à coupler R au circuit par un transformateur de sortie adaptateur d'impédances. De plus, on a représenté l'inductance L séparée de R; une variante consiste à réaliser L et R en un rllEme bobinage, par exemple dans le cas d'inducteur de chauffage. D e plus, afin d'accélérer la décharge du condensateur D à travers l'inductance M en fin de signal, une variante consiste à ajouter une résistance d'amortisse- ment en dérivation sur M. D'autres variantes sont possibles, decoulant du même principe de base que l'on peut résumer ainsi:charge et décharge oscillante d'un condensateur, dont la décharge s'effectue à travers la source en série avec une tension d 'opposition de forme trapézoidale,alein d'assurer l'entretien des oscillations; cette tension d'opposition provenant du redressement d'une oscillation auxiliaire HF sur un condensateur shunté par une inductance, après découpage à la fréquence F. Le système fonctionne également si la fréquence de décourage est un sous-multiple entier de F-. Les applications principales de ce nouvel onduleur sont: le chauffage à induction, les générateurs haute-fréquence, les générateurs d'ultra-sons. - REVENDICATIONSi I. Procédé de génération de courant alternatif, à partir d'une source continue ou alternative, par charge et décharge oscillante d'un condensateur C dans un circuit LCR ae résonance-série de fréquence propre F, caractérisé en ce que la décharge du condensateur C s'effectue dans le même circuit en pré sence d'une tension d'opposition compensant la tension de la source afin d'as surer 11 entretien des oscillations; cette tension d'opposition provenant du re dressement, sur un condensateur D shunté par une inductance M, d'une oscil lation HF découpée à fréquence F ou sous-multiple de F.(Fig.I et 2). 2.0nduleur pour la mise en oeuvre du procédé selon revendication I, carac t éri sé en ce qu'il comporte: une source, continue ou alternative, débitant sur un circuit de résonance-série LCR de fréquence F, en série avec un ci rcuit d'opposition constitué d'un condensateur D shunté par une inductance M; un oscillateur auxiliaire HF dont l'oscillation est découpée par un oscilla teur-pilote de fréquence F et redressée sur le condensateur D.( fig.2 et 3 ). 3.0nduleur selon revendication 2 caractérisé en ce que la source S est alternative (par exemple 50 Hz) et comporte un commutateur électronique synchronisé sur la tension de la source, afin de présenter aux bornes du circuit DM d'opposition une tension commutée tou jours en opposition avec la tension alternative de la source.( fig.3). 4.0nduleur selon l'une des revendications 2 et 3 caractérisé en ce que la charge R est couplée au circuit par un transformateur adaptateur dtimpé- ä dances. t e 5. Onduleur seloevendicatioiis 2-3-4-lcaractérisé en ce que la charge R est commune à l'inductance L, cas de l'inducteur de chauffage à induction 6. Onduleur selon -i'une des revendications9-3-4-5 caractMrisé par l'addi tion d'une résistance d'amortissement en shunt sur l'inductance M, en vue de réduire la durée du flanc de décharge du condensateur D.