Brevet FR2851378A1 — publié le 20040820

i ETAGE DE PUISSANCE DE SORTIE POUR DES CHARGES CAPACITIVES L'invention concerne un étage de puissance de sortie ou circuit convertisseur pour des charges capacitives constitué: - d'une inductance de stockage, qui est reliée par une extrémité à un potentiel de référence et qui est raccordée, à l'extrémité opposée, à une borne de réseau, côté entrée, et à une capacité de stockage secondaire, côté sortie; - d'une capacité de stockage primaire, qui est montée en amont de l'inductance de stockage, côté entrée, la capacité de stockage primaire étant 10 reliée à son tour, côté entrée, par l'intermédiaire d'un élément d'interruption primaire, au potentiel de référence; - d'un élément d'interruption secondaire, qui est monté en série avec la capacité de stockage secondaire. L'invention concerne également un procédé pour faire fonctionner un 15 étage de puissance de sortie. En raison des besoins pressants en moteurs économisant du carburant, on développe actuellement des moteurs à allumage par étincelle à injection directe à procédé de combustion pauvre. La nouvelle génération de moteur peut atteindre une économie de carburant moyenne pouvant aller 20 jusqu'à 15 %. En charge partiel, il s'effectue dans la chambre de combustion une stratification de charge. Cela signifie que la chambre de combustion est subdivisée en deux zones, une première zone comportant un mélange carburant-air inflammable à proximité des bougies d'allumage et une deuxième zone constituée d'air et de gaz résiduels, qui entoure la première 25 zone et l'isole du point de vue thermique par rapport aux parois de la chambre de combustion. La charge stratifiée conditionne un instant d'injection extrêmement tardif pendant la phase de compression du moteur et une durée d'injection extrêmement brève de typiquement 0,5 ms. Le passage au fonctionnement homogène s'effectue avec l'augmentation de la charge du 30 moteur. Le carburant y est injecté déjà pendant la phase d'aspiration, donc très tôt afin d'assurer un bon mélange intime de l'air et du carburant. Il est particulièrement avantageux pour actionner les soupapes d'injection, de tirer parti d'actionneurs piézoélectriques ou d'autres actionneurs électrostrictifs fabriqués en technique multicouches, car ils réagissent à peu 35 près sans retard. Les actionneurs piézoélectriques ou les actionneurs électrostrictifs fabriqués en technique multicouches, comportent un empilement de couches en un matériau dont la dimension se modifie dans la direction longitudinale lorsque l'on applique une tension extérieure. Des soupapes d'injection actionnées par des actionneurs piézoélectriques ou des actionneurs électrostrictifs peuvent être commandés indépendamment du 5 déplacement du piston et comportent de plus l'avantage que l'on peut réaliser par eux de courtes durées d'interruption. Du point de vue de la technique des circuits, l'actionneur piézoélectrique représente une capacité qui est chargée par une tension électrique extérieure que l'on applique. De l'énergie est ainsi stockée dans 10 l'actionneur piézoélectrique. Sur un actionneur piézoélectrique, on utilise par exemple des opérations d'interruption ayant des fréquences entre 10 et 500 hz pour charger et décharger. Il est décrit dans la demande de brevet allemand comportant le numéro officiel de dossier 10147168.8, un circuit convertisseur par lequel l'énergie 15 stockée dans la capacité de stockage secondaire peut être retransférée au moins en partie à une capacité de stockage primaire. On obtient cela en ajoutant en plus d'un côté une capacité de stockage primaire. Sur cette capacité de stockage primaire, l'énergie stockée dans la capacité de stockage secondaire peut établir, notamment, en fermant pendant une brève durée un 20 élément d'interruption secondaire, un courant qui passe par l'inductance de stockage et la capacité de stockage secondaire, qui continue de passer lors de l'ouverture qui suit peu après de l'élément d'interruption secondaire et qui charge ainsi la capacité de stockage primaire. Comme dans de nombreuses applications, on cherche à construire 25 l'étage de puissance de sortie de manière aussi peu encombrante que possible, il faut vérifier toutes les pièces du point de vue de la réduction du volume. Le circuit de l'étage de puissance de sortie suivant la figure 2, qui correspond à l'état de la technique, nécessite cependant pour l'adaptation interne des valeurs caractéristiques minimum déterminées de chacune des 30 pièces. La place la plus grande est occupée en l'occurrence, comme auparavant, par les inductances et aussi les capacités. Si on rend plus petit la capacité de stockage primaire en abaissant, la capacité nominale, cela entraîne une plus grande fluctuation de potentiel pendant l'opération de charge et de décharge, ce qui aurait pour conséquence, à nouveau, une 35 bobine de filtrage ayant une plus grande charge de courant. L'invention vise à mettre à disposition un étage de puissance de sortie, par lequel des actionneurs agissant de manière électriquement capacitive peuvent être commandés autant que possible sans perte avec une dimension de construction minimale. On y parvient par le fait que l'entrée de l'étage de puissance de sortie est cadencée par un interrupteur supplémentaire. Suivant un mode de réalisation avantageux, de l'invention, l'élément d'interruption primaire est shunté par une diode primaire polarisée dans le sens de nonconduction pour une tension d'alimentation s'appliquant à la 10 borne du réseau Suivant un mode de réalisation avantageux, l'élément d'interruption secondaire est shunté par une diode secondaire polarisée dans le sens direct pour une tension d'alimentation s'appliquant à la borne réseau. Suivant un mode de réalisation avantageux, l'inductance de stockage 15 est une bobine sans fer. Suivant un mode de réalisation avantageux, il est monté entre le raccordement au réseau et la capacité de stockage primaire, une inductance de filtrage. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'inductance 20 de filtrage est une bobine sans fer. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, la valeur de l'inductance de filtrage est plus grande que la valeur de l'inductance de stockage. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, la capacité 25 de stockage secondaire est un élément piézoélectrique. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, la capacité de stockage secondaire est un composant électrostrictif. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'élément piézoélectrique est un actionneur piézoélectrique adapté à l'actionnement de 30 soupapes d'un moteur à combustion. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'élément piézoélectrique est un actionneur piézoélectrique fabriqué en technique multicouches. L'objectif de l'invention pour le procédé est atteint par un procédé pour 35 faire fonctionner un étage de puissance de sortie, caractérisé en ce qu"il se produit une charge de la capacité de stockage primaire pendant les arrêts pendant lesquels la capacité de stockage secondaire n'est ni chargée, ni déchargée, l'interrupteur 20 est, première étape, fermé pour cadencer l'entrée si bien que la capacité de stockage primaire est courtcircuitée, et l'interrupteur est ouvert après une 5 durée déterminée, si bien que l'énergie stockée dans l'inductance de filtrage et dans l'inductance 8 de stockage est rechargée dans la capacité de stockage primaire. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, on empêche au moyen d'une diode montée du côté d'entrée de la capacité de stockage 10 primaire que l'énergie dans la capacité de stockage primaire ne repasse à nouveau dans la source d'alimentation. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, on peut déterminer au moyen de la largeur d'impulsion variable sur l'interrupteur, un courant maximal qui passe dans l'inductance de filtrage. L'invention part de l'idée que la capacité 3 de stockage primaire doit être conçue aussi petite que possible. Pour beaucoup d'applications, la tension VCC d'alimentation nécessaire n'est pas disponible, mais on a besoin à cet effet d'une valeur minimum pour assurer une dynamique souhaitée à la sortie (+ V). Pour le fonctionnement de soupapes d'injection piézoélectriques, 20 on ne dispose le plus souvent que d'une tension d'alimentation de 12 V ou au maximum de 42 V. Pour le fonctionnement d'un étage de puissance de sortie du genre dont il est question, on a cependant besoin d'un tension VCC d'alimentation de plus de 70 volts. L'entrée est cadencée par un interrupteur 20 supplémentaire; on peut se dispenser alors d'un convertisseur courant 25 continu-courant continu supplémentaire. Les composants nouvellement introduits par rapport à l'état de la technique sont une diode pour bloquer le retour du courant dans la source d'alimentation et un interrupteur pour cadencer l'entrée. Par le fait que la capacité est shuntée pendant une brève durée, on peut d'une part faire varier 30 la tension de la capacité de stockage primaire et d'autre part limiter le courant maximum passant dans l'inductance 2. En raison de l'extension du circuit, on peut se dispenser d'un convertisseur courant continu-courant continu supplémentaire. Un exemple de réalisation est décrit dans ce qui suit à l'aide de figures 35 schématiques qui ne limitent pas l'invention: La figure 1 représente un circuit d'un étage de puissance de sortie suivant la présente invention, La figure 2 représente un convertisseur de l'état de la technique. La figure 2, l'état de la technique, consiste en un circuit convertisseur 5 comportant une borne 1 au réseau en aval de laquelle est montée une inductance 2 de filtrage. A son extrémité éloignée de la borne 1 du réseau, l'inductance 2 de filtrage est reliée à une capacité 3 de stockage primaire, par exemple à un condensateur, et à une capacité 4 de stockage secondaire, par exemple un actionneur piézoélectrique. Les actionneurs piézoélectriques 10 comportent un empilement de matériau 6 piézoélectrique qui est incorporé chaque fois entre des électrodes 5 et dont la dimension se modifie lorsque l'on applique une tension plus grande. Par souci de simplicité, il n'est représenté aux figures qu'une couche individuelle du matériau piézoélectrique comportant les électrodes 5 associés. Il est raccordé au point 17 nodal entre la capacité 3 15 de stockage primaire et la capacité 4 de stockage secondaire, une inductance 8 de stockage qui est raccordée à une masse 9 par son extrémité éloignée du point 10 nodal. Il dérive enfin d'une ligne 10 reliant l'inductance 2 de filtrage à la capacité 3 de stockage primaire, une ligne 11 qui va à un élément 12 d'interruption primaire. L'élément 12 d'interruption primaire est relié également 20 à la masse 9 par son extrémité éloignée de la ligne 10. De plus, l'élément 12 d'interruption primaire est shunté par une diode 13 qui est polarisée dans le sens de nonconduction lorsque l'on applique une tension vcc d'alimentation à la borne 1 du réseau. Un élément 14 d'interruption secondaire, qui est également relié à la masse 9 et qui est shunté par une diode 15, est monté en 25 série avec la capacité 4 de stockage secondaire. Dans ce cas, la diode 15 est polarisée dans le sens direct lorsque l'on applique une tension vcc d'alimentation à la borne 1 du réseau. Lorsque l'on applique une tension vcc d'alimentation à la borne du réseau et lorsque l'élément 12 d'interruption primaire est ouvert, la capacité 3 30 de stockage primaire se charge d'abord jusqu'à ce qu'un point 16 nodal entre les lignes 10 et 11 se trouve au potentiel vcc. Un point 17 nodal se trouve à cet instant au potentiel de masse. Lors de la fermeture de l'élément 12 d'interruption primaire, le point 16 nodal est mis au potentiel de masse. Le potentiel du point 17 nodal passe 35 ainsi à -VCC, si bien que, par l'inductance 8 de stockage, il passe un courant ILdans l'inductance 8 de stockage, la capacité 3 de stockage primaire et l'élément 12 d'interruption primaire. Après l'ouverture de l'élément 12 d'interruption primaire, l'inductance 8 de stockage maintient le courant IL et charge ainsi la capacité 4 de stockage secondaire. Le courant IL passe en l'occurrence dans la capacité 4 de stockage secondaire et la diode 15. La 5 capacité 4 de stockage secondaire est maintenant chargée, l'électrode côté masse, l'électrode 5, se trouvant à un potentiel négatif au-dessous du potentiel de masse. Un déchargement de la capacité 4 de stockage secondaire est donc empêché par la diode 15. Pour décharger la capacité 4 de stockage secondaire, l'élément 14 10 d'interruption secondaire est fermé, si bien qu'un courant IR peut passer dans l'élément 14 d'interruption secondaire et la capacité 4 de stockage secondaire et l'inductance 8 de stockage. Après l'ouverture de l'élément 14 d'interruption secondaire, la bobine 8 de stockage maintient le courant IR et charge ainsi la capacité 3 de stockage 15 primaire. Il passe en l'occurrence un courant dans la capacité 3 de stockage primaire et la diode 13 primaire. La charge stockée dans la capacité 4 de stockage secondaire est ainsi retransférée ainsi au moins en partie à la capacité 3 de stockage primaire. L'énergie stockée dans la capacité 4 de stockage secondaire n'est donc pas entièrement perdue mais est restockée 20 dans la capacité 3 de stockage primaire. La diode 13 primaire et la diode 15 secondaire ne sont pas absolument nécessaires au fonctionnement du circuit. On peut imaginer fondamentalement aussi de fermer l'élément 12 d'interruption primaire et l'élément 14 d'interruption secondaire par une commande adéquate, chaque 25 fois que du courant doit passer dans l'élément 12 d'interruption primaire et l'élément 14 d'interruption secondaire et de les ouvrir chaque fois que la liaison avec la masse doit être interrompue. La valeur de l'inductance 2 de filtrage devrait être plus grande que la valeur de l'inductance 8 de stockage afin d'empêcher que des impulsions 30 parasites ne soient envoyées dans le réseau. Dans le circuit convertisseur ou étage de puissance de sortie représenté à la figure 2, la combinaison montée en parallèle de l'élément 14 d'interruption secondaire et de la diode 15 secondaire est interconnectée entre le point 15 nodal et la capacité 4 de stockage secondaire. Cela est important surtout pour des applications dans lesquelles on cherche à raccorder la capacité de stockage secondaire à la masse 9 pour des raisons de sécurité. Le boîtier d'un actionneur piézoélectrique utilisé comme capacité 4 de stockage secondaire peut ainsi être mis à la terre. Mais 5 dans ce cas, on devrait utiliser pour l'élément 14 d'interruption secondaire, ce que l'on appelle un interrupteur high side, car l'élément 14 d'interruption secondaire flotterait sinon du point de vue du potentiel. Par l'étage de puissance de sortie décrit à la figure 2, on peut produire à partir de tensions continues, basses présentes dans le réseau de bord d'un 10 véhicule automobile, de manière précise, une courbe de tension prescrite sur la capacité 4 de stockage secondaire. On peut y atteindre sans difficulté des tensions de crête dans le domaine de plusieurs centaines de volts. Un avantage particulier y est le grand degré d'efficacité du circuit,car l'énergie stockée dans la capacité 4 de stockage secondaire, un actionneur 15 piézoélectrique, peut être récupérée. Le circuit convient notamment pour la commande de composants piézoélectriques ou électrostrictifs. Cela peut être un actionneur piézoélectrique pour actionner une soupape d'injection d'un moteur à injection directe ou aussi un moteur piézoélectrique. Comme on cherche à utiliser l'étage de puissance de sortie souvent 20 dans des systèmes mobiles, l'objectif de l'invention est de construire cet étage de sortie de manière aussi peu encombrante que possible. La plus grande place sur une platine serait occupée par les deux inductances 2 et 8 et la capacité 3. Si l'on optimise par exemple la capacité 3 de stockage primaire en abaissant la capacité nominale, cela entraîne une fluctuation plus grande de 25 potentiel pendant l'opération de charge et de décharge. Pour beaucoup d'applications, la tension VCC d'alimentation nécessaire n'est pas disponible. Mais on a besoin à cet effet d'une valeur minimum pour assurer une dynamique souhaitée à la sortie (+V). Pour le fonctionnement de soupapes d'injection piézoélectriques, on ne dispose le plus souvent que d'une tension 30 d'alimentation de 12 V ou au maximum de 42 V. Mais pour le fonctionnement d'un étage de puissance de sortie du genre dont il est question, on a besoin d'une tension VCC d'alimentation de plus de 70 V. La tension nécessaire est produite à l'aide d'un convertisseur courant continu-courant continu. Le convertisseur courant continu-courant continu prend cependant beaucoup de 35 place et les cots à engager pour lui sont considérables. Il est donc représenté à la figure 1 un exemple de réalisation dans lequel on voit clairement la solution. On y renonce à un convertisseur courant continu-courant continu, on maintient la capacité 3 de stockage primaire aussi petite que possible, afin de se dispenser en même temps d'une bobine ayant 5 une plus grande capacité de charge de courant. L'entrée du circuit y est à cadencer par un interrupteur 20 supplémentaire. L'idée de ce circuit consiste en ce que la tension VCC d'alimentation de l'étage de sortie est plus petite que la tension minimum de la capacité 3 de stockage primaire. Les arrêts pendant lesquels la capacité 4 de stockage 10 secondaire n'est ni chargée, ni déchargée, y sont utilisés pour recharger la capacité 3 de stockage primaire. Cela se produit en deux étapes. A la première étape, l'interrupteur 20 est fermé. L'interrupteur 20 met en circuit la capacité 3 de stockage primaire, pendant une courte durée, ce qui fait qu'il passe un courant par l'intermédiaire de la branche inductance 2 de filtrage, 15 interrupteur 20 et inductance 8 de stockage. Si l'interrupteur 20 est ouvert à nouveau après une durée déterminée, l'énergie stockée dans l'inductance 2 de filtrage et dans l'inductance 8 de stockage est retournée dans la capacité 3 de stockage primaire. La diode 19 empêche que l'énergie ne repasse de la capacité 3 de stockage primaire à nouveau à la borne VCC du réseau. 20 L'avantage de ce concept de circuit est, d'une part, que l'on peut déterminer par la largeur d'impulsion de l'interrupteur 20 le courant maximum qui passe dans l'inductance 2 de filtrage. Un avantage supplémentaire consiste en ce que l'on a pas besoin de convertisseur courant continu-courant continu supplémentaire pour produire la tension d'alimentation nécessaire. Des 25 modules périphériques comme par exemple, le module pour mesurer le courant sur l'inductance 8 de stockage peuvent être utilisés pour déterminer les paquets d'énergie aussi pour la mesure du courant lors de la recharge de la capacité 3 de stockage primaire. L'extension de l'étage de puissance de sortie représentée à la figure 2 30 par une diode 19 et l'interrupteur 20 suivant la figure 4 permet donc de shunter pendant une brève durée la capacité 3 de stockage primaire, ce qui fait que l'on peut d'une part faire varier la tension de la capacité 3 de stockage primaire et d'autre part limiter le courant maximum dans l'inductance 2 de filtrage. REVENDICATIONS 1. Etage de puissance de sortie des charges capacitives constitué: - d'une inductance (8) de stockage, qui est reliée par une extrémité à 5 un potentiel (9) de référence et qui est raccordée, à l'extrémité opposée, à une borne (1) de réseau, côté entrée, et a une capacité (4) de stockage secondaire, côté sortie; - d'une capacité (3) de stockage primaire, qui est montée en amont de l'inductance (8) de stockage, côté entrée, la capacité (3) de stockage primaire 10 étant reliée à son tour, côté entrée, par l'intermédiaire d'un élément (12) d'interruption primaire, au potentiel (9) de référence; - d'un élément (14) d'interruption secondaire, qui est monté en série avec la capacité (4) de stockage secondaire; caractérisé en ce que l'entrée de l'étage de puissance de sortie est 15 cadencée par un interrupteur (20) supplémentaire. 2. Etage de puissance de sortie suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément (12) d'interruption primaire est shunté par une diode (13) primaire polarisée dans le sens de nonconduction pour une tension 20 d'alimentation s'appliquant à la borne du réseau. 3. Etage de puissance de sortie suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément (14) d'interruption secondaire est shunté par une diode (15) secondaire polarisée dans le sens direct pour une tension 25 d'alimentation s'appliquant à la borne du réseau. 4. Etage de puissance de sortie suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'inductance (8) de stockage est une bobine sans fer. 5. Etage de puissance de sortie suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une inductance (2) de filtrage est montée entre la borne (1) du réseau et la capacité (3) de stockage primaire. 6. Etage de puissance de sortie suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'inductance (2) de filtrage est une bobine sans fer. 7.Etage de puissance de sortie suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur de l'inductance (2) de filtrage est plus grande que la valeur de l'inductance (8) de stockage. 8. Etage de puissance de sortie suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capacité (4) de stockage secondaire est un élément piézoélectrique. 9. Etage de puissance de sortie suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la capacité (4) de stockage secondaire est un composant électrostrictif. 10. Etage de puissance de sortie suivant la revendication 8, caractérisé 15 en ce que l'élément piézoélectrique est un actionneur piézoélectrique adapté à l'actionnement de soupapes d'un moteur à combustion. 11. Etage de puissance de sortie suivant la revendication 8 ou 10, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est un actionneur 20 piézoélectrique fabriqué en technique multicouches. 12. Procédé pour faire fonctionner un étage de puissance de sortie suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il se produit une charge de la capacité (3) de stockage primaire pendant les arrêts pendant 25 lesquels la capacité (4) de stockage secondaire n'est ni chargée, ni déchargée, l'interrupteur (20) est, première étape, fermé pour cadencer l'entrée si bien que la capacité (3) de stockage primaire est court-circuitée, et l'interrupteur (20) est ouvert après une durée déterminée, si bien que l'énergie stockée dans l'inductance (2) de 30 filtrage et dans l'inductance (8) de stockage est rechargée dans la capacité (3) de stockage primaire. 13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que l'on empêche au moyen d'un diode (19) montée du côté d'entrée de la capacité (3) 35 de stockage primaire que l'énergie dans la capacité (3) de stockage primaire ne repasse à nouveau dans la source d'alimentation. il 14. Procédé suivant la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que l'on peut déterminer au moyen de la largeur d'impulsion variable sur l'interrupteur (20) un courant maximum qui passe dans l'inductance (2) de filtrage.