Brevet FR2726704A1 — publié le 19960510

GÉNÉRATEUR HAUTE FRéQUENCE À RÉSONANCE POUR UN APPAREIL DE CHAUFFAGE À INDUCTION. L'invention est relative à un générateur haute fréquence à résonance pour un appareil de chauffage à induction, comportant: - un convertisseur de puissance ayant un demi-pont à deux commutateurs électroniques commandés , et un circuit oscillant disposé du côté tension continue , et dont l'inductance est formée par l'élément inducteur de l'appareil de chauffage, - un circuit de contrôle équipé d'un modulateur destiné à envoyer des signaux modulés de commande vers les commutateurs électroniques pour faire fonctionner le convertisseur en hâcheur, - et des moyens de régulation coopérant avec le modulateur pour assurer le réglage des signaux modulés en fonction de divers paramètres. II existe des circuits de contrôle faisant usage d'un modulateur à modulation de largeur d'impulsions pour la commande des commutateurs de puissance du convertisseur haute fréquence. Un condensateur auxiliaire d'accord est généralement connecté en série avec l'inducteur pour obtenir la résonance du circuit oscillant, et de deux autres condensateurs de fortes valeurs constituant d'autre part un diviseur capacitif. La tension aux bornes de l'élément inducteur est sensiblement égale à la moitié de la tension continue d'alimentation, et le condensateur d'accord est soumis à des courants à haute fréquence très importants. Le système de commande à modulation de largeur d'impulsions du convertisseur n'est pas très adapté à un appareil de chauffage à induction à cause du faible rendement. L'objet de l'invention consiste à réaliser un générateur haute fréquence à résonance ayant un rendement optimum pour un appareil de chauffage à induction. Le générateur haute fréquence selon l'invention est caractérisé en ce que: - I'élément inducteur du circuit oscillant est connecté entre le point milieu des deux commutateurs électroniques et le point milieu d'un diviseur capacitif symétrique, disposé en parallèle aux bornes du demi-pont, chaque condensateur du diviseur capacitif ayant une capacité élémentaire égale à la moitié de la capacité de résonance, - un circuit de sécurité est piloté par des capteurs de courant et/ou de température, pour l'émission d'un signal VB de validation ou de blocage vers le modulateur lorsqu'au moins un paramètre à surveiller dépasse un seuil prédéterminé, - et un circuit d'asservissement de puissance est destiné à fournir un signal de régulation VR à un circuit oscillateur du modulateur pour faire varier la fréquence des signaux modulés de commande des commutateurs électroniques Selon une caractéristique de l'invention, le modulateur est formé par un circuit PWM à modulation de largeur d'impulsions ayant deux sorties S1, S2 en opposition de phase et comprenant un circuit de commutation associé au circuit oscillateur, ledit signal VB de validation ou de blocage issu du circuit de sécurité, étant appliqué au circuit de commutation La suppression du condensateur auxiliaire d'accord dans le circuit inducteur permet d'appliquer la totalité de la tension d'alimentation aux bornes de l'inducteur. La réaction du signal de régulation issu du circuit d'asservissement de puissance, entraîne une variation de la fréquence des signaux de sortie du modulateur PWM. La fréquence augmente lorsque la puissance diminue, et la puissance du générateur est ainsi parfaitement régulée. La fréquence de fonctionnement du modulateur est située dans une fourchette de 18 à 32 kHz, et se trouve en permanence supérieure à la fréquence de résonance du circuit oscillant. La tension aux bornes de l'élément inducteur se trouve toujours en avance sur la phase du courant, ce qui permet un couplage plus facile de la charge. Le circuit d'asservissement de puissance est piloté par la combinaison des mesures du courant secteur et du courant inducteur, la tension résultante étant comparée à une tension de consigne pour engendrer le signal de régulation du modulateur. Le circuit de sécurité contrôle l'intensité du courant absorbé par l'inducteur, et du courant d'alimentation du secteur, détecte la présence du récipient, et surveille la température du radiateur et du récipient, de manière à interrompre la commande des commutateurs électroniques du convertisseur en cas de dépassement de l'un des paramètres précités. A cet effet, un détecteur de charge est inséré entre le deuxième circuit de mesure et le circuit de sécurité pour détecter la présence d'un récipient métallique sur l'appareil de chauffage à induction, ledit détecteur étant formé par un comparateur destiné à comparer l'image du courant secteur mesuré par le deuxième circuit de mesure, à un signal de contre-réaction VCR délivré par l'une des sorties du modulateur. Le circuit de contrôle de la température du récipient à chauffer comporte avantageusement: -un capteur de température situé sous la plaque vitrocéramique, et connecté électriquement à un quatrième circuit de mesure susceptible de délivrer un premier signal de tension VTM représentatif de la température du récipient, - et un comparateur destiné à comparer le premier signal de tension VTM à un deuxième signal de tension de référence VTR élaboré par un circuit de consigne d'un générateur de tension, la sortie du comparateur étant reliée au circuit de sécurité, lequel stoppe le fonctionnement du convertisseur lorsque la température du récipient atteint un seuil prédéterminé, ajusté par le générateur de tension Le générateur de tension comporte une horloge coopérant avec un circuit compteur/décompteur commandé par un sélecteur de puissance actionné par l'utilisateur, la valeur du deuxième signal de référence VTR du circuit de consigne dépendant de la position dudit sélecteur d'ajustage de puissance. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la descnption qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue synoptique du générateur haute fréquence selon l'invention, équipé de son circuit de contrôle; - la figure 2 représente une vue schématique du circuit de contrôle du modulateur; - la figure 3 montre une vue schématique du circuit de commande des commutateurs électroniques du demi-pont à résonance. En référence à la-figure 1, un générateur 10 haute fréquence à résonance pour un appareil de chauffage à induction, comporte un convertisseur 12 de puissance à demi-pont résonnant symétrique, connecté à une source d'alimentation 14 à tension alternative, par exemple le réseau de distribution 230 V monophasé, par l'intermédiaire d'un circuit de filtrage 1 6 associé à un premier circuit redresseur 18 principal. Une première tension continue VCC1 est ainsi appliquée aux bornes de convertisseur 12. Un deuxième circuit redresseur 20 auxiliaire est branché à la source d'alimentation 14 pour fournir une deuxième tension continue VCC2 régulée au dispositif de contrôle 22 du générateur 10. Le demi-pont du convertisseur 12 de puissance comprend deux commutateurs électroniques 24, 26 commandés, fonctionnant en hâcheur au moyen de deux circuits d'impulsions 28, 30 pilotés par un modulateur 32 à fréquence variable. Les commutateurs électroniques 24, 26 sont connectés en série entre les polarités positive et négative de la tension continue VCCl, en étant formés par des transistors MOS ou IGBT. Tout autre élément semiconducteur commandé de puissance peut, bien entendu être utilisé pour constituer le demi-pont. Un diviseur capacitif 34 symétrique est branché en parallèle aux bornes du demi-pont, et un élément inducteur 36 de l'appareil de chauffage est inséré entre le point milieu 38 des deux commutateurs électroniques 24, 26 et le point milieu 40 des deux condensateurs 42, 44 constituant le diviseur capacitif 34. Un premier capteur de courant 46 à haute fréquence est connecté en série avec l'élément inducteur 36 pour mesurer l'intensité du courant inducteur absorbé. Le circuit oscillant du convertisseur 12 est formé par l'inducteur de l'élément inducteur 36, et la capacité des deux condensateurs 42, 44 de mêmes valeurs du diviseur capacitif 34. Un tel agencement symétrique des condensateurs 42, 44 de résonance en diviseur capacitif 34 permet de supprimer tout condensateur auxiliaire en série avec l'élément inducteur 36. 11 en résulte que la totalité de la tension d'alimentation VCC1 est appliquée aux bornes de l'élément inducteur 36. Un deuxième capteur de courant 48 est inséré entre le premier circuit redresseur 18 et la source d'alimentation 14 à 50 Hertz pour mesurer l'intensité du courant alternatif fourni par le secteur. Des diodes 50, 52 de protection sont branchées en inverse aux bornes des commutateurs électroniques 24, 26. Le modulateur 32 du circuit de contrôle 22 du générateur 10 est formé par un circuit PWM à modulation de largeur d'impulsions utilisé selon un fonctionnement prédéterminé à fréquence variable. Le circuit PWM est constitué par un circuit intégré Thomson SG 3525A ayant deux sorties S1 et S2 en opposition de phase, reliées respectivement aux deux circuits d'impulsions 28, 30 de commande des commutateurs électroniques 24, 26. Chaque circuit d'impulsions 28, 30 est doté d'un transistor de commande FET connecté à un enroulement primaire d'un transformateur d'impulsions, dont l'enroulement secondaire est branché à la porte du commutateur électronique 24, 26 correspondant. Une première entrée El du modulateur 32 à fréquence variable est reliée à un circuit de sécurité 54 destiné à interrompre les signaux de commande des commutateurs 24, 26 lorsque différents paramètres de fonctionnement du générateur 10 dépassent des seuils prédéterminés. Un circuit de contrôle ou d'asservissement de puissance 56 est susceptible d'engendrer un signal de régulation VR, appliqué à la deuxième entrée E2 du modulateur 32 de manière à provoquer une variation en fréquence des signaux modulés délivrés par les sorties S1 et S2. Le premier capteur de courant 46 à haute fréquence est raccordé à un premier circuit de mesure 58 du courant inducteur destiné à piloter le circuit de contrôle de puissance 56, et à fixer le courant inducteur à une valeur maximum. Le deuxième capteur de courant 48 à basse fréquence est branché à un deuxième circuit de mesure 60 du courant alternatif fourni par le secteur. Un détecteur de charge 62 est inséré entre le deuxième circuit de mesure 60 et le circuit de sécurité 54 pour détecter la présence d'un récipient métallique sur l'appareil de chauffage à induction. Le deuxième circuit de mesure 60 est également raccordé électriquement au circuit de contrôle de puissance 56 pour ie réglage du signal de régulation VR appliqué à l'entrée E2 du modulateur 32. Le circuit de sécurité 54 est en plus piloté par un troisième circuit de mesure 65 de la température du radiateur, lequel sert de support aux deux commutateurs électroniques 24, 26. Cette mesure de la température du radiateur est nécessaire pour protéger les commutateurs électroniques 24, 26 à la suite d'un échauffement excessif. Le troisième circuit de mesure 64 est commandé par un capteur de température, par exemple un thermostat ou un capteur au silicium, provoquant l'intervention du circuit de sécurité 54 lorsque la température dépasse un seuil prédéterminé. Le circuit de sécurité 54 peut recevoir un troisième ordre d'inhibition de la part d'un circuit de contrôle 66 de la température du récipient. La mesure de la température du récipient est effectuée sous la plaque vitrocéramique de l'appareil de chauffage, au moyen d'un quatrième circuit de mesure 68 qui délivre un premier signal de tension VTM représentatif de la température réelle du récipient. Le premier signal de tension du circuit 68 est comparé à un deuxième signal de tension de référence VTR élaboré par un circuit de consigne 70 d'un générateur de tension 72, lequel est composé d'une horloge 74 coopérant avec un circuit compteur / décompteur 76. La tension de consigne peut être ajustée entre 0 et 9 Volts en fonction de la position d'un sélecteur 78 de puissance actionné par l'utilisateur. En référence à la figure 2 illustrant le schéma du circuit de contrôle 22 du modulateur 32, le premier circuit de mesure 58 du courant inducteur comporte un premier circuit redresseur 80 dont l'entrée est branchée au premier capteur de courant 46, et dont la tension de sortie redressée est appliquée à l'entrée non inverseuse d'un premier amplificateur opérationnel 82 constituant le circuit de contrôle de puissance 56. Le générateur de tension 72 comporte une horloge 74, formée à titre d'exemple par un composant HEF 4011, qui pilote le circuit compteur/ décompteur 76 associé à un circuit de blocage en fin de comptage/ décomptage pour arrêter le comptage en début et en fin d'échelle. A chaque pas du sélecteur 78 en (+) ou (-) correspond une valeur de tension variable de 0,8 Volt. Le circuit compteur/ décompteur 76 est bien connu en soi, et peut être constitué par un composant HEF 4029. Le deuxième signal de tension de référence VTR du circuit de consigne 70 est appliqué à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 82. Le deuxième circuit de mesure 60 du courant secteur comprend un deuxième circuit redresseur 84 dont l'entrée est connectée au deuxième capteur de courant 48. La sortie du circuit redresseur 84 est branchée d'une part à l'entrée non inverseuse d'un deuxième amplificateur opérationnel 86, et à l'entrée non inverseuse du premier amplificateur opérationnel 82 par l'intermédiaire d'un troisième amplificateur opérationnel 88 d'un circuit de liaison 87. Le deuxième amplificateur opérationnel 86 fonctionne en comparateur, doté d'une entrée inverseuse portée à un potentiel de référence par un diviseur résistif branché entre la tension régulée VCC2 et la masse. La sortie du comparateur 86 est reliée par une diode à l'entrée non inverseuse d'un quatrième amplificateur opérationnel 90 constituant le détecteur de charge 62 servant à détecter la présence d'un récipient métallique sur la plaque de chauffage. L'autre entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 90 est reliée à un interrupteur de TEST 1, et à l'une des sorties S2 du modulateur 32. La mesure du courant secteur par le deuxième circuit de mesure 60 sert à détecter la présence du récipient, à contrôler l'asservissement en puissance par action sur le premier amplificateur opérationnel 82, et à limiter le courant secteur à une valeur maximum. Le circuit de sécurité 54 est formé par un cinquième amplificateur opérationnel 92 dont l'entrée inverseuse est branchée à la sortie du quatrième amplificateur opérationnel 90. L'autre entrée non inverseuse est connectée au troisième circuit de mesure 64 de la température du radiateur, et au circuit de contrôle 66 de la température du récipient. La mesure de la température du récipient à chauffer est effectuée au moyen de deux diodes D1 et D2 identiques, situées sous la plaque vitrocéramique et branchées électriquement aux deux entrées d'un sixième amplificateur opérationnel 94. La différence de tension est amplifiée, et appliquée à l'entrée non inverseuse d'un septième amplificateur opérationnel ou comparateur 96, lequel compare le premier signal de tension VTM représentatif de la température du récipient au deuxième signal VTR du circuit de consigne 70, appliqué à l'autre entrée inverseuse. La mesure de la température du radiateur est due au troisième circuit de mesure 64, comprenant un capteur de température au silicium TH1 coopérant avec une porte 98, laquelle est branchée à travers une diode de liaison à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel 92 du circuit de sécurité 54. Le circuit de sécurité 54 permet le contrôle de: - la surconsommation de l'inducteur 36, et de la source d'alimentation 14, - la température du radiateur des commutateurs électroniques 24, 26 du générateur 10, - la température du récipient à chauffer, - la présence du récipient sur la plaque de chauffage. Le signal de sortie VB du circuit de sécurité 54 est appliqué à l'entrée El de sécurité du modulateur 32, lequel se trouve à l'état bloqué, lorsque l'un des paramètres précités dépasse une valeur prédéterminée. Le détecteur de charge 62 compare le courant secteur mesuré par le circuit 60 à un signal de contre-réaction VCR délivré par l'une des sorties S1 ou S2 du modulateur 32. En l'absence de récipient sur la plaque, le courant secteur est nui, et le quatrième amplificateur opérationnel 90 se met en veille durant un temps prédéterminé, par exemple cinq secondes, puis recommence la phase de comparaison. L'asservissement en puissance par le circuit de contrôle 56 est opéré par comparaison du deuxième signal de tension de référence VTR du circuit de consigne 70, et de l'intensité du courant secteur et du courant inducteur. Une tension de consigne de 9 Volts correspond à titre d'exemple à 3000 Watts, tandis que 4,5 Volts correspond à une puissance de 1500 Watts. La tension de régulation VR issue du premier amplificateur opérationnel 82 est appliquée à l'entrée E2 du modulateur 32 et agit sur la fréquence des signaux à modulation de largeur d'impulsions délivrés par les sorties S1 et S2. La fréquence de ces signaux augmente lorsque la tension de consigne 70 diminue.Parallèlement à cette modulation de puissance intervient l'action de blocage du modulateur 32 par le circuit de sécurité 54, de manière à interrompre la puissance lorsque la température souhaitée du récipient est atteinte. Sur la figure 3, le circuit intégré SG3525A du modulateur 32 à fréquence variable renferme un circuit oscillateur 100 associé à un circuit de commutation 102. L'entrée E2 correspond à la borne 6, et l'entrée El correspond à la borne 10. Le circuit oscillateur 100 est raccordé intérieurement aux bornes 5-7, et permet de faire varier la fréquence des signaux de sorties S1 et S2 en fonction du niveau de la tension de régulation VR du premier amplificateur opérationnel 82.Le circuit de commutation 102 est branché intérieurement aux bornes 10, 11 et 14, et pilote l'émission des signaux de sorties S1 et S2 en opposition de phase, lorsque le cinquième amplificateur opérationnel 92 du circuit de sécurité 54 ne détecte pas de valeurs anormales des paramètres à surveiller. Dans le cas contraire, le signal VB appliqué à l'entrée El fait basculer le circuit de commutation 102 pour inhiber l'émission des signaux de sorties S1 et S2, entraînant le passage des commutateurs électroniques 24, 26 à l'état bloqué. Chaque signal de sorties S1, S2 du modulateur 32 est envoyé à un transistor FET de commande 104,106 relié à un transformateur d'impulsions 108,110 autorisant un isolement galvanique avec le secteur. La tension de l'enroulement secondaire de chaque transformateur d'impulsions 108, 110 est appliquée à la porte de commande du commutateur électronique 24, 26 correspondant à travers un diviseur résistif R1, R2, et un circuit écrêteur D3, D4 à diodes Zener. La fréquence de fonctionnement du modulateur 32 est située dans une fourchette de 18 à 32 kHz, et est toujours supérieure à la fréquence de résonance du circuit oscillant. REVENDICATIONS 1. Générateur haute fréquence à résonance pour un appareil de chauffage à induction, comportant: - un convertisseur (12) de puissance ayant un demi-pont à deux commutateurs électroniques (24, 26) commandés , et un circuit oscillant disposé du côté tension continue et dont l'inductance est formée par l'élément inducteur (36) de l'appareil de chauffage, - un circuit de contrôle (22) équipé d'un modulateur (32) destiné à envoyer des signaux modulés de commande vers les commutateurs électroniques (24, 26) pour faire fonctionner le convertisseur en hâcheur, - et des moyens de régulation coopérant avec le modulateur (32) pour assurer le réglage des signaux modulés en fonction de divers paramètres, caractérisé en ce que:: - I'élément inducteur (36) du circuit oscillant est connecté entre le point milieu (38) des deux commutateurs électroniques (24, 26) et le point milieu (40) d'un diviseur capacitif (34) symétrique, disposé en parallèle aux bornes du demipont, chaque condensateur (42, 44) du diviseur capacitif (34) ayant une capacité élémentaire égale à la moitié de la capacité de résonance, - un circuit de sécurité (54) est piloté par des capteurs de courant et/ou de température, pour l'émission d'un signal VB de validation ou de blocage vers le modulateur (32) lorsqu'au moins un paramètre à surveiller dépasse un seuil prédéterminé, - et un circuit d'asservissement de puissance (56) est destiné à fournir un signal de régulation VR à un circuit oscillateur (100) du modulateur (32) pour faire varier la fréquence des signaux modulés de commande des commutateurs électroniques (24, 26). 2. Générateur haute fréquence à résonance selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur (32) est formé par un circuit PWM à modulation de largeur d'impulsions, ayant deux sorties S1, S2 en opposition de phase, et comprenant un circuit de commutation 102 associé au circuit oscillateur (100), ledit signal VB de validation ou de blocage issu du circuit de sécurité (54) étant appliqué au circuit de commutation (102). 3. Générateur haute fréquence à résonance selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence de fonctionnement du modulateur (32) est située dans une fourchette de 18 à 32 kHz, et se trouve en permanence supérieure à la fréquence de résonance du circuit oscillant. 4. Générateur haute fréquence à résonance selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément inducteur (36) est connecté en série avec un premier capteur de courant (46) à haute fréquence pour mesurer l'intensité du courant inducteur absorbé, ledit premier capteur étant raccordé à un premier circuit de mesure (58) destiné à piloter le circuit d'asservissement de puissance (56). 5. Générateur haute fréquence à résonance selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un deuxième capteur de courant (48) alternatif à basse fréquence est branché entre la source d'alimentation (14) du secteur, et le convertisseur (12) de puissance, et est connecté à un deuxième circuit de mesure (60) destiné à piloter le circuit d'asservissement de puissance (56), et/ ou le circuit de sécurité (54). 6. Générateur haute fréquence à résonance selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un détecteur de charge (62) est inséré entre le deuxième circuit de mesure (60) et le circuit de sécurité (54) pour détecter la présence d'un récipient métallique sur l'appareil de chauffage à induction, ledit détecteur (62) étant formé par un comparateur destiné à comparer l'image du courant secteur mesuré par le deuxième circuit de mesure (60), à un signal de contre-réaction VCR délivré par l'une des sorties S1, S2 du modulateur (32). 7. Générateur haute fréquence à résonance selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un troisième circuit de mesure (64) de la température du radiateur des commutateurs électroniques (24, 26) est raccordé au circuit de sécurité (54) pour stopper le fonctionnement du convertisseur (12) en cas d'échauffement excessif du radiateur, ledit troisième circuit de mesure (64) étant piloté par un capteur de température, notamment à élément thermostatique ou au silicium, disposé sur le radiateur. 8. Générateur haute fréquence à résonance selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit de sécurité (54) est commandé par un circuit de contrôle (66) de la température du récipient à chauffer, ledit circuit (66) comprenant: - un capteur de température (D1, D2) situé sous la plaque vitrocéramique, et connecté électriquement à un quatrième circuit de mesure (68, 94) susceptible de délivrer un premier signal de tension VTM représentatif de la température du récipient, - et un comparateur (96) destiné à comparer le premier signal de tension VTM à un deuxième signal de tension de référence VTR élaboré par un circuit de consigne (70) d'un générateur de tension (72), la sortie du comparateur (96) étant reliée au circuit de sécurité (54), lequel stoppe le fonctionnement du convertisseur (12) lorsque la température du récipient atteint un seuil prédéterminé, ajusté par le générateur de tension (72). 9. Générateur haute fréquence à résonance selon la revendication 8, caractérisé en ce que le générateur de tension (72) comporte une horloge (74) coopérant avec un circuit compteur/décompteur (76) commandé par un sélecteur (78) de puissance actionné par l'utilisateur, la valeur du deuxième signal de tension de référence VTR du circuit de consigne (70) dépendant de la position dudit sélecteur (78) d'ajustage de puissance. 10. Générateur haute fréquence à résonance selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le deuxième signal de tension de référence VTR du circuit de consigne (70) est appliqué au circuit d'asservissement de puissance (56) conjointement avec les signaux de mesure du courant inducteur et du courant secteur issus des premiers et deuxième circuits de mesure (58, 60),de manière à ajuster le signal de régulation VR à une valeur prédéterminée, permettant une augmentation ou une diminution de la fréquence des signaux modulés délivrés par le modulateur (32), respectivement lorsque la valeur du deuxième signal de tension de référence VTR diminue ou augmente.