Brevet FR2742608A1 — publié le 19970620

La présente invention est relative à un dispositif pour la charge à courant constant d'un banc d'énergie capacitif. Plus particulièrement, le dispositif proposé par l'invention est un générateur de courant capable d'atteindre des tensions de charge importantes. I1 trouve avantageusement - mais non limitativement - application pour la charge des condensateurs des bancs d'énergie qui alimentent certains lasers. Les condensateurs conçus pour emmagasiner des énergies importantes supportent mal les variations de courant et il est souhaitable de les charger à courant sensiblement constant. On connaît classiquement des générateurs de courant à basse tension, ainsi que des générateurs de haute tension permettant de générer jusqu'à des tensions de quelques centaines de kv pour des courants supérieurs à quelques dizaines de mA. Ces tensions sont largement suffisantes pour charger les condensateurs utilisés dans les bancs d'énergie dont la tension de service est inférieure ou de l'ordre de 20 kV. Par contre, pour la génération de tensions supérieures, on a généralement recours, ainsi qu'illustré sur la figure 1, à un montage multiplicateur de tension du type cascade de Greinacher, alimenté par une rampe de tension alternative Ra. On rappelle qu'une cascade de Greinacher comporte n étages redresseurs constitués chacun de deux condensateurs C et de deux diodes D, la tension à vide en sortie d'une telle cascade étant égale à n fois la tension crête de la tension sinusoïdale en entrée. Toutefois, si l'on veut transférer de l'énergie assez rapidement, cest-à-dire débiter un courant suffisant, le nombre d'étages d'une telle cascade est limité et ne peut guère dépasser la dizaine - sauf à recourir à des condensateurs de forte capacité, auquel cas le prix de l'installation augmente de façon importante avec le nombre de condensateurs. Cette limitation du nombre d'étages du multiplicateur impose de travailler avec une rampe de tension présentant une valeur de tension crête élevée (de l'ordre du dixième de la tension de sortie). La génération d'une telle tension crête nécessite l'utilisation d'un transformateur en entrée de la rampe de tension. Un but de l'invention est de proposer un dispositif de charge permettant, à tension de charge égale, de diminuer la tension nécessaire en entrée de la rampe de tension. Par ailleurs, la tension alternative en entrée de la cascade de Greinacher d'un dispositif de charge du type de celui illustré sur la figure 1, est généralement de type carré. Du fait du grand nombre d'harmoniques ainsi engendrées, les diodes de la cascade ont tendance à s'échauffer. Un autre but de l'invention est donc de proposer un dispositif de charge permettant de réduire cet échauffement. Egalement, un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de charge qui permet d'améliorer les problèmes de commutation liés au découpage en entrée de la rampe. Les circuits oscillants sont classiquement connus de l'Homme du Métier comme moyen multiplicateur de tension. De tels circuits génèrent des tensions alternatives qui atteignent leur régime permanent après un régime transitoire de type exponentiel. On considérait jusqu'à présent que les circuits oscillants n'étaient pas adaptés à la charge haute tension de bancs d'énergie capacitifs. Leurs constantes de temps à vide sont en effet très inférieures aux durées de charge nécessaires. L'invention propose quant à elle un dispositif de charge dans lequel un tel circuit oscillant est monté entre une source alternative et un montage amplificateur de type cascade de Greinacher, cette combinaison permettant de générer une tension en sortie du montage multiplicateur qui croît de façon sensiblement linéaire pendant toute la durée de charge. Il a en effet été constaté par la demanderesse qu'une telle combinaison présente un régime transitoire d'une durée très supérieure à la constante de temps du circuit oscillant à vide et au cours duquel la tension en sortie de la cascade croît avec une très grande linéarité. En outre, dans une telle structure, le circuit oscillant joue également un rôle de multiplicateur de tension, de sorte qu'à tension de charge égale, la tension nécessaire en entrée du circuit oscillant est trois à cinq fois moins élevée que celle nécessaire en entrée d'une rampe de tension classique. Par ailleurs, avec une telle structure, la tension appliquée aux diodes de redressement de la cascade de Greinacher est sinusoïdale. Il en résulte une diminution des harmoniques engendrées et donc de l'échauffement des diodes. Avantageusement, également, la fréquence de la source alternative correspond sensiblement à la fréquence de résonnance de la combinaison que constituent le circuit oscillant et le montage multiplicateur. Notamment, le dispositif comporte préférentiellement des moyens pour l'asservissement de la fréquence de découpage de façon que la tension et le courant en entrée du circuit oscillant soit en phase. Le découpeur commute alors à courant sensiblement nul. Avantageusement, encore, le dispositif comporte des moyens pour l'asservissement de la fréquence de découpage de façon que la pente de la tension de charge en sortie du dispositif soit constante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit d'un mode de réalisation possible de l'invention. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard de la figure 2 qui est un schéma du montage de ce mode de réalisation. Ce montage comporte une source de tension alternative 1, un circuit oscillant 2 monté en sortie de cette source 1, ainsi qu'une cascade de Greinacher 3 montée en sortie du circuit oscillant 2. Sur la figure 2, on a également représenté le condensateur 4 qui constitue le banc d'énergie à charger par ce montage, ainsi qu'un interrupteur 5 qui commande le chargement et le déchargement de ce condensateur 4. La source 1 est alimentée par le secteur et comporte, de façon connue en soi, entre autres éléments, un découpeur de tension continue, ainsi qu'un transformateur Haute Tension. Le circuit oscillant 2 est un circuit LC. La cascade de Greinacher 3 est semblable à celle décrite en référence à la figure 1 et correspond à un montage classiquement connu de l'Homme du Métier. La tension en sortie de la cascade 3 et par laquelle le condensateur 4 est chargé est continue et est, à vide, égale à n fois la tension continue fournie par un seul étage, c'est-à-dire 2n fois la tension crête de la tension sinusoïdale appliquée à son entrée (tension Vc), n étant le nombre d'étages de la cascade 3. Pour plus de détails sur les cascades de Greinacher, on pourra avantageusement se référer à l'ouvrage suivant Haute Tension" - Traité d'Electricité, d'Electronique et d'Electrotechnique - Tome XXII - M. Aguet, M. Ionoz Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne - Dunod - 1979. La source 1 délivre au circuit oscillant 2 une tension alternative Ve dont la fréquence est par exemple accordée sur la fréquence de résonnance de la combinaison que constituent le circuit 2 et la cascade 3. C'est à cette fréquence de résonnance que l'on obtient la meilleure linéarité de la tension de charge et que la valeur crête de la tension Ve nécessaire pour obtenir une tension finale de charge donnée est minimum. Ladite source 1 comporte par exemple des moyens qui asservissent la fréquence de découpage de façon que la tension au secondaire du transformateur de la source 1 soit en phase avec le courant qui traverse ledit secondaire et que le découpeur de ladite source 1 commute à courant sensiblement nul. Ces moyens peuvent également asservir cette fréquence de découpage sur la pente de la tension de charge en sortie du dispositif, de façon que le dispositif permette une grande linéarité de charge. En fonctionnement, en effet, les condensateurs du circuit oscillant 2 et de la cascade 3 ont tendance à s'échauffer et à dériver en température. Un tel asservissement permet de corriger les dérives de pente de tension de charge qui pourraient en résulter. Le régime transitoire du dispositif qui vient d'être décrit permet de charger le condensateur 4 de façon linéaire, en bénéficiant en entrée de la cascade 3 de l'effet multiplicateur de tension du circuit oscillant 2, dont le coefficient multiplicateur Q peut atteindre plusieurs dizaines. Pour une fréquence de résonnance de 15 kHz, on constate pour ce régime transitoire des constantes de temps effectives de l'ordre de plusieurs centaines de millisecondes, c'est à dire très supérieures aux constantes de temps du circuit oscillant seul, qui au mieux sont, pour cette fréquence de résonnance, de l'ordre de 3 millisecondes. On notera en outre que l'inductance que présente le circuit oscillant 2 permet de protéger de façon passive la source d'alimentation 1 contre les court-circuits, notamment en début de charge. Ceci permet de réduire le dimensionnement du transformateur de la source 1, qui dans les dispositifs de l'art antérieur intégrait une inductance de fuite destinée à assurer cette protection contre les court-circuits. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la charge à courant constant d'un banc d'énergie capacitif (4), comportant une source de tension alternative (1) et un montage multiplicateur de tension (3) du type à cascade de Greinacher, dont la tension de sortie est utilisée pour la charge du banc d'énergie capacitif, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit oscillant (2) monté entre une source de tension alternative (1) et le montage multiplicateur de tension (3), cette combinaison permettant de générer une tension en sortie du montage multiplicateur (3) qui croît de façon sensiblement linéaire pendant toute la durée de charge. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de la source alternative correspond sensiblement à la fréquence de résonnance de la combinaison que constituent le circuit oscillant (2) et le montage multiplicateur (3). 3. Dispositif selon la revendications 2, dont la source (1) comporte un découpeur de tension continue, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour l'asservissement de la fréquence de découpage de façon que le courant et la tension en entrée du circuit oscillant soit en phase. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, dont la source (1) comporte un découpeur de tension continue, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour l'asservissement de la fréquence de découpage de façon que la pente de la tension de charge en sortie du dispositif soit constante. 5. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes pour la charge d'un banc d'énergie d'alimentation d'un laser.