Brevet FR2907279A1 — publié le 20080418

Dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique ultrasonore La présente invention est relative à un dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique piloté par un calculateur, comportant un premier étage alimenté par une source de tension continue et muni de moyens de formation d'une deuxième tension continue supérieure à celle délivrée par cette source, et un deuxième étage muni de moyens d'amplification de cette deuxième tension et de hachage de la tension obtenue pour l'excitation de l'actionneur avec la tension hachée, sous la commande du calculateur, ces moyens d'amplification comprenant une inductance en résonance électrique avec l'actionneur piézo-électrique. On connaît un dispositif de ce type de la demande de brevet européen n 1 422 764 déposée au nom de la demanderesse, ci-après appelée brevet précité. Ce dispositif connu est conçu pour assurer l'excitation d'un actionneur piézo-électrique ultrasonore incorporé à un injecteur de carburant pour moteur à combustion interne. Il est schématisé à la figure 1 du dessin annexé. Comme représenté sur cette figure, il comprend un premier étage A alimenté par la batterie d'un véhicule propulsé par ce moteur, batterie qui établie ainsi une tension Vbat sur une capacité C, placée à l'entrée de cet étage. Celui-ci prend la forme d'une alimentation à découpage, du type "boost" selon la terminologie de l'homme du métierLcomprenant classiquement une inductance L,, un transistor de découpage TA, une diode D et une capacité de sortie C2. Un calculateur Ca qui gère le temps d'ouverture des injecteurs de carburant l; (i de 1 à 4) commande aussi le rapport cyclique de conduction du transistor TA de manière à établir aux bornes d'une capacité de filtrage C2 une tension continue Vint. Le niveau de cette tension est intermédiaire entre celui de la batterie (couramment 12 volts) et celui requis pour assurer l'excitation des actionneurs piézo-électriques incorporés aux injecteurs I; (couramment de l'ordre de 1 kilovolt). Cette tension Vint alimente un deuxième étage B comprenant une inductance L2 calculée pour être en résonance électrique avec la capacité de chaque injecteur I;, de manière que la tension de sortie de cet étage atteigne le kilovolt précité, au niveau d'une capacité d'adaptation C3. Un transistor de hachage TB, également commandé par le calculateur précité, découpe la tension de sortie de l'étage A à la fréquence ultrasonore requise par les actionneurs piézo-électriques, pendant les temps d'ouverture des injecteurs déterminés par ce calculateur. La mise en circuit séquentielle de l'injecteur l; sélectionné est également assurée par le calculateur, qui commande à cet effet la conduction d'un transistor Ti 2907279 2 associé à cet injecteur. On se reportera au brevet précité pour plus de détails concernant la structure et le fonctionnement de ce dispositif connu. Il résulte de la description qui précède que ce dispositif comporte deux éléments inductifs séparés L, et L2 dont l'encombrement et le coût peuvent être importants au sein du système 5 d'injection électronique associé au moteur. La présente invention a précisément pour but de fournir un dispositif de commande d'actionneurs piézo-électriques, intégrables notamment à des injecteurs de carburant pour moteur à combustion interne, dispositif dans lequel ces inconvénients sont supprimés ou, pour le moins, minimisés. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la 10 suite de la présente description, avec un dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique piloté par un calculateur, comportant un premier étage alimenté par une source de tension continue et muni de moyens de formation d'une deuxième tension continue supérieure à celle délivrée par cette source, et un deuxième étage muni de moyens d'amplification de la deuxième tension continue et 15 de hachage de la tension obtenue pour l'excitation de l'actionneur avec la tension hachée, sous la commande du calculateur, ces moyens d'amplification comprenant une inductance en résonance électrique avec l'actionneur piézo-électrique, ce dispositif étant remarquable en ce que cette inductance est connectée au premier étage de manière à constituer, pendant la formation de la deuxième tension continue, 20 l'enroulement secondaire d'un transformateur formant partie d'un convertisseur de tension du type "flyback" introduit dans le premier étage pour développer la deuxième tension continue. Comme on le verra en plus de détail dans la suite, les deux inductances utilisées dans le dispositif suivant l'invention sont bobinées sur un même noyau, et 25 non sur deux noyaux distincts, ce qui permet d'atteindre le but annoncé plus haut. Selon d'autres caractéristiques de la présente invention : - le convertisseur "flyback" comprend un transistor de découpage en série avec l'enroulement primaire du transformateur, une capacité de sortie sous la tension intermédiaire (Vint) et une diode de redressement, la diode de redressement étant 30 constituée par une diode de roue libre associée à un transistor formant partie des moyens de hachage de la tension amplifiée, -la diode de roue libre est intégrée au transistor, - le transistor est du type MOSFET, - le dispositif comprend des moyens de limitation de surtension sur le primaire 35 du transformateur, 2907279 3 - le dispositif comprend des moyens de régulation de la tension intermédiaire disponible aux bornes de la capacité, - le dispositif comprend des moyens pour interdire des fonctionnements simultanés des premier et deuxième étages, 5 - dans la commande d'une pluralité d'injecteurs de carburant dans un moteur à combustion interne, les injecteurs étant équipés chacun d'un actionneur piézo-électrique ultrasonore, le dispositif comprend des moyens d'excitation séquentielle des actionneurs avec la tension hachée délivrée par le deuxième étage, 10 - la fréquence de découpage choisie pour le convertisseur "flyback" du premier étage est écartée d'au moins 1 kHz de la fréquence de résonance des actionneurs piézo-électriques équipant les injecteurs de carburant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel : 15 - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de la technique antérieure, décrit en préambule de la présente description, - la figure 2 représente schématiquement la structure des premier et deuxième étages du dispositif suivant la présente invention, conçus pour être substitués aux étages correspondants du dispositif de la figure 1, 20 - la figure 2a illustre un détail de la figure 2, et - la figure 3 représente un jeu de chronogrammes utiles à la description du fonctionnement du dispositif suivant l'invention. On se réfère à la figure 2 du dessin annexé pour décrire la structure des premier et deuxième étages du dispositif suivant l'invention, qui se substituent aux 25 étages A et B, respectivement, du dispositif connu du brevet précité et représenté à la figure 1. C'est ainsi que ce premier étage 1 et ce deuxième étage 2 sont insérés dans l'environnement d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile, par exemple. Dans cette situation le premier étage est alimenté en énergie électrique par la batterie (non représentée) du véhicule qui lui délivre une 30 tension Vbat, de l'ordre de 12 volts par exemple. La commande des étages 1 et 2 est assurée par un calculateur C qui gère le fonctionnement d'injecteurs de carburant installés à l'aval du deuxième étage, tout comme ceux représentés à la figure 1. L'excitation séquentielle de ces injecteurs s'opère comme décrit ci-dessus en liaison avec cette figure et comme explicité en plus de détail dans le brevet précité. La description qui va suivre se concentre donc sur la structure et le fonctionnement des 2907279 4 premier et deuxième étages du dispositif suivant l'invention, le lecteur pouvant se reporter pour le surplus à ce brevet précité. Le premier étage du dispositif suivant l'invention prend généralement la forme d'une alimentation à découpage du type bien connu de l'homme de métier sous le 5 nom de convertisseur "flyback". Ce convertisseur comprend un transformateur comportant un enroulement primaire Lf et un enroulement secondaire Lp, bobinés sur un même noyau de ferrite schématisé par le trait interrompu référencé 3. L'enroulement, ou inductance, primaire Lf est placé en série avec le circuit de conduction d'un transistor Tf, avantageusement du type MOSFET, entre une ligne 4 10 raccordée à la batterie du véhicule, et la masse. La conduction de ce transistor, de découpage, est commandée par des signaux de haute fréquence venus du calculateur C, à travers un étage de commande Ed. La capacité C, placée à l'entrée de l'étage 1, entre la ligne 4 et la masse, joue le même rôle que la capacité correspondante du dispositif connu de la figure 1. 15 Suivant une caractéristique du dispositif selon l'invention, l'enroulement secondaire est constitué par une inductance Lp également utilisée au sein du deuxième étage mais, comme on le verra plus loin, en un temps différent. On sait que dans un convertisseur flyback l'énergie stockée dans le noyau magnétique (en ferrite) est transférée dans une capacité connectée entre les bornes 20 de l'enroulement secondaire, ici la capacité Cf, à travers une diode anti-retour dont on donnera la position plus loin. C'est aux bornes de cette capacité Cf que se prélève la tension intermédiaire Vint formée par le premier étage 1 à partir de la tension Vbat délivrée par la batterie du véhicule. Cette tension intermédiaire est avantageusement comprise entre 50 et 300 volts. 25 Le deuxième étage 2 est semblable, dans sa structure, à l'étage correspondant 13 du dispositif connu de la figure 1. C'est ainsi qu'il comprend une inductance Lp connecté entre la borne à la tension intermédiaire Vint de la capacité Cf et le drain D d'un transistor Th , du type MOSFET par exemple, dont la source est à la masse, la conduction de ce transistor étant elle aussi commandée par le calculateur 30 C, à travers un étage de commande Eh. Comme on l'a vu plus haut, cette inductance Lp se distingue cependant de l'inductance indépendante L2 de l'étage B du dispositif connu de la figure 1 en ce qu'elle est constituée par l'enroulement secondaire du transformateur (Lf, 3, Lp) formant partie du convertisseur flyback intégré au premier étage 1. 2907279 5 A cette différence essentielle près, dont profite la présente invention comme on le verra plus loin, le deuxième étage 2 du dispositif suivant l'invention fonctionne sensiblement comme celui du dispositif connu. C'est ainsi que cet étage amplifie la tension intermédiaire Vint pour délivrer une tension atteignant en crête le niveau 5 requis pour l'excitation des actionneurs piézo-électriques, soit 1 kilovolt par exemple, cette tension étant hachée à la fréquence ultrasonore, également requise, par une commande appropriée du transistor Th, développée par le calculateur C. Comme décrit dans le brevet précité auquel on pourra se reporter pour plus de détail sur ce point, cette amplification est obtenue grâce à un circuit oscillant 10 formé de l'inductance Lp et la capacité de chaque actionneur, cette inductance Lp étant fonction de la résonance d'excitation acoustique de l'actionneur. La haute tension hachée est délivrée à l'actionneur piézo-électrique de l'injecteur sélectionné par une ligne de sortie 5 du deuxième étage 2, connectée au point commun à l'inductance Lp et au drain du transistor Th. Une capacité d'adaptation Cp est 15 connectée entre la ligne 5 et la masse pour jouer le même rôle que la capacité C3 du dispositif connu de la figure 1. Avant de passer à la description du fonctionnement du dispositif suivant l'invention, on revient sur un point signalé plus haut et qui reste à préciser, à savoir la position de la diode de redressement obligatoirement présente dans le convertisseur 20 flyback du premier étage de ce dispositif. Comme cela est bien connu de l'homme de métier, les transistors MOSFET actuels sont normalement équipés d'une diode de roue libre telle que la diode Dr du transistor Th du deuxième étage du dispositif suivant l'invention. Suivant la présente invention, dans le couplage décrit ci-dessus des étages 1 et 2, cette diode de roue libre Dr assume la fonction de redressement 25 du convertisseur flyback. On se réfère maintenant aux chronogrammes de la figure 4 pour décrire le fonctionnement du dispositif de commande suivant l'invention, dans son application à la commande d'injecteurs de carburant dans un moteur à combustion interne, ces injecteurs étant équipés d'actionneurs piézo-électriques ultrasonores. Ces 30 chronogrammes illustrent les évolutions des commandes "on/off' des transistors Tf et Th respectivement et des tensions aux bornes de la capacité Cf et des circuits drain-source des transistors Tf et Th respectivement. Les périodes pendant lesquelles le transistor Th est actif en hachage correspondent aux temps d'injection de carburant t; tels que déterminés par le 35 calculateur C. Les périodes pendant lesquelles le transistor Tf est actif en découpage 2907279 6 correspondent aux temps de stockage d'énergie dans l'inductance Lf, ou temps de recharge tr. La comparaison des chronogrammes des commandes "on/off' (fermé/ouvert) des transistors Tf et Th fait clairement apparaître que les périodes d'activité de ces deux transistors ne se chevauchent jamais. C'est ce qui permet, 5 suivant une caractéristique de la présente invention, la mutualisation de l'utilisation de l'inductance Lp par les deux étages 1 et 2, alors même que les fonctions de ces deux étages sont distinctes. L'élévation de tension prise en charge par le premier étage s'opère par découpage du courant d'alimentation du primaire Lf du transformateur (Lf,3,Lp) au 10 moyen d'une commutation à haute fréquence (par exemple de l'ordre de 100 kHz ou plus) du transistor Tf entre ses états ouvert et fermé, commandée par le calculateur C. Cette commutation s'opère avec un rapport cyclique réglable, également déterminé par ce calculateur, comme cela est bien connu dans la commande d'un convertisseur flyback. A la fermeture du transistor, le primaire se charge et à 15 l'ouverture brusque suivante de ce transistor l'énergie stockée dans le primaire passe dans le secondaire Lp du transformateur. La capacité Cf récupère alors cette énergie à travers la diode de roue libre Dr du transistor Th du deuxième étage. La charge ou recharge de la capacité Cf se prolonge aussi longtemps que la tension aux bornes de cette capacité n'a pas atteint une valeur prédéterminée 20 convenable telle que Vint = 250 volts par exemple, comme cela apparaît sur le graphe de cette tension représenté à la figure 3. Comme cela apparaît aussi sur cette figure, entre deux temps d'injection t; successifs, le maintien de la tension intermédiaire à ce niveau peut exiger la présence de moyens de régulation propres à réactiver convenablement le 25 découpage opéré par le transistor Tf du convertisseur flyback du premier étage 1 du dispositif suivant l'invention. On compense ainsi une éventuelle décharge partielle de la capacité Cf. Ces moyens de régulation peuvent comprendre un capteur de la tension à surveiller aux bornes de la capacité Cf et un régulateur sensible au signal délivré par ce capteur pour commander l'excitation en découpage du transistor Tf de 30 manière à remonter la tension Vint à sa valeur de consigne. L'installation de tels moyens de régulation n'offre aucune difficulté pour l'homme de métier et n'exige donc pas une description plus complète dans le cadre de la présente demande de brevet. 2907279 7 Comme on l'a vu plus haut, pendant la recharge de la capacité Cf le transistor Th du deuxième étage 2 reste ouvert. Il en est évidemment de même pendant le temps consacré à la régulation de la charge de cette capacité. Lors d'une commande d'injection de carburant pendant un temps t; déterminé 5 par le calculateur C, celui-ci maintient ouvert le transistor Tf du premier étage 1 et active en hachage le transistor Th du deuxième étage 2. Celui-ci fonctionne alors sensiblement comme le deuxième étage du dispositif décrit au brevet précité, auquel on renvoie donc pour une description détaillée de ce fonctionnement. Le transformateur est alors utilisé comme une simple inductance Lp (le premier 10 enroulement Lf présentant alors entre ses bornes une impédance très élevée) , en résonance électrique avec l'actionneur piézo-électrique de l'injecteur sélectionné par le calculateur C. C'est ainsi qu'est obtenue la haute tension (environ 1 kilovolt) hachée à la fréquence ultrasonore (40-50 kHz, par exemple) nécessaire à l'excitation de cet actionneur piézo-électrique. 15 Comme cela apparaît sur les chronogrammes de la figure 3, en phase d'injection, le transistor Tf est soumis à une tension hachée de l'ordre de 100 volts, abaissée par rapport à celle (1 kV) supportée par le transistor Th du fait du rapport de transformation du transformateur. En phase de recharge de la capacité Cf, les tensions hachées supportées par les transistors Tf et Th sont respectivement de 20 l'ordre de 50 et 250 volts. Les caractéristiques d'isolation drain-source, ou collecteur- émetteur, de ces transistors doivent permettre de supporter ces niveaux de tension. De ce qui précède il résulte que le calculateur est dûment programmé pour commander les transistors Tf et Th de manière à interdire des fonctionnements simultanés des premier et deuxième étages du dispositif suivant l'invention. Malgré 25 les précautions prises, des interférences telles que la commande involontaire d'un injecteur pendant une phase de recharge de la capacité de sortie du convertisseur flyback ne sont pas à exclure (un pic de tension pendant la recharge peut suffire à activer un injecteur). Suivant la présente invention, une première solution de ce problème consiste 30 à programmer le calculateur de manière qu'aucune charge (injecteur ou capacité de compensation) ne soit connectée pendant l'élévation de tension opérée par le premier étage du dispositif. Une autre solution consiste à utiliser des fréquences de découpage et de hachage très différentes, écartées d'au moins 1 kHz. C'est clairement le cas des 35 fréquences indiquées plus haut à titre d'exemple (100 kHz au découpage et 40-50 2907279 8 kHz au hachage). Un perfectionnement de cette solution consiste à utiliser une fréquence de découpage écartée de plus de l kHz des fréquences de résonance des injecteurs et de leurs harmoniques. Une particularité du dispositif suivant la présente invention tient à ce que le 5 dimensionnement du transformateur du convertisseur flyback du premier étage doit évidemment tenir compte de la valeur que doit avoir l'inductance Lp de son enroulement secondaire quand elle intervient dans le circuit oscillant constituant le deuxième étage. A titre d'exemple illustratif seulement, cette inductance peut être comprise entre 40 pH et 500 pH. Pour fixer le rapport de transformation du 10 transformateur, on applique la règle classique suivant laquelle, dans un étage flyback, ce rapport est lié au rapport des tensions d'entrée Vbat et de sortie Vint de l'étage par la relation: Vint = M.a.Vbat, Avec a = 0,5 en première approximation. On obtient ainsi la valeur de M, égale au 15 rapport de transformation, et donc au rapport du nombre des spires des enroulements primaire et secondaire. Par ailleurs le primaire du transformateur doit être protégé contre des surtensions résultant de l'utilisation du mode de fonctionnement en flyback du premier étage du dispositif suivant l'invention. Pour ce faire, comme représenté à la 20 figure 2, on peut protéger le transistor Tf à l'aide d'une diode Zener d, montée en anti-parallèle entre le drain et la source de ce transistor et à l'aide d'une autre diode Zener d2 montée passante de la source à la grille du transistor. On peut aussi, comme représenté en trait interrompu à la figure 2, disposer un circuit Z en parallèle sur l'enroulement primaire Lf. Comme illustré par la figure 2a, ce circuit peut 25 comprendre deux diodes montées tête-bêche en série, l'une étant du type Zener. Il peut aussi être constitué d'une résistance et d'une capacité en série, une diode étant montée en parallèle sur la résistance. Ces moyens de protection sont de types bien connus de l'homme de métier qui sait les dimensionner sans difficultés. Il faut cependant veiller à ne pas écrêter les signaux qui apparaissent sur le primaire du 30 transformateur lors d'une phase d'injection de carburant. Cela pourrait en effet dégrader les performances du dispositif du fait d'une diminution de la charge au primaire du transformateur. Ainsi, la diode Zener d,, voir figure 2, doit avoir une tension Zener inférieure à la tension maximale constatée sur le primaire en phase d'injection. 2907279 9 Il apparaît maintenant que l'invention permet bien d'atteindre le but annoncé, à savoir fournir un dispositif de commande d'actionneurs piézo-électriques ultrasonores d'encombrement et de coût minimisés par le fait que les deux enroulements Lf et Lp sont bobinés sur le même noyau de ferrite alors que les deux 5 enroulements utilisés dans le dispositif du brevet précité sont bobinés sur des noyaux distincts. Le transformateur du dispositif suivant l'invention établit en outre une isolation galvanique sécurisante entre les deux étages de ce dispositif, isolation qui n'existe pas dans le dispositif du brevet précité. 10 Egalement, on peut installer dans le premier étage du dispositif suivant l'invention un transistor à plus faible tension d'isolation que celui placé dans l'étage correspondant du dispositif du brevet précité. Dans ce dernier on installe typiquement un transistor à tension d'isolation de 600 volts, proportionnelle à la tension intermédiaire. Dans le dispositif suivant l'invention, le transistor Tf doit supporter la 15 tension batterie Vbat et le retour de la tension du secondaire pendant les commandes d'injection. Cette dernière tension étant plus faible, de l'ordre de 50 volts, la tension d'isolation nécessaire pour Tf peut être de l'ordre de 150 volts seulement. On peut alors choisir un transistor Tf en une technologie garantissant un meilleur rendement du premier étage. 20 Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que l'on pourrait utiliser dans l'invention des transistors autres que du type MOSFET, par exemple des transistors IGBT. Egalement l'invention n'est pas limitée à la commande d'injecteurs de carburant et s'étend à la commande d'actionneurs piézo-électriques en général et, 25 plus généralement encore, à la commande alternative haute tension, notamment pour des fréquences de commande inférieures à 500 kHz. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique piloté par un calculateur, comportant un premier étage alimenté par une source de tension continue (Vbat) et muni de moyens de formation d'une deuxième tension continue (Vint) supérieure à celle (Vbat) délivrée par ladite source, et un deuxième étage muni de moyens d'amplification de ladite deuxième tension (Vint) et de hachage de la tension obtenue pour l'excitation dudit actionneur avec ladite tension hachée, sous la commande dudit calculateur, lesdits moyens d'amplification comprenant une inductance (Lp) en résonance électrique avec ledit actionneur piézo-électrique, dispositif caractérisé en ce que ladite inductance (Lp) est connectée audit premier étage de manière à constituer, pendant la formation de ladite deuxième tension (Vint), l'enroulement secondaire d'un transformateur formant partie d'un convertisseur de tension du type "flyback" introduit dans ledit premier étage pour développer ladite deuxième tension (Vint). 2. Dispositif conforme à la revendication 1, dans lequel ledit convertisseur "flyback" comprend un transistor de découpage (Tt) en série avec l'enroulement primaire dudit transformateur, une capacité (Cf) de sortie sous ladite tension intermédiaire (Vint) et une diode de redressement, caractérisé en ce que ladite diode de redressement est constituée par une diode de roue libre (Dr) associée à un transistor (Th) formant partie desdits moyens de hachage de ladite tension amplifiée. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que ladite diode de roue libre (Dr) est intégrée audit transistor (Th). 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que ledit transistor (Th) est du type MOSFET. 5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de limitation de surtension sur le primaire dudit transformateur (Lf, 3, Lp). 6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation de ladite tension intermédiaire (Vint) 30 disponible aux bornes de ladite capacité (Cf). 7. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour interdire des fonctionnements simultanés desdits premier et deuxième étages. 8. Utilisation du dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 35 7, à la commande d'une pluralité d'injecteurs de carburant dans un moteur à 2907279 11 combustion interne, lesdits injecteurs étant équipés chacun d'un actionneur piézo-électrique ultrasonore, ledit dispositif comprenant des moyens d'excitation séquentielle desdits actionneurs avec la tension hachée délivrée par ledit deuxième étage. 5 9. Utilisation conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que la fréquence de découpage choisie pour le convertisseur "flyback" dudit premier étage est écartée d'au moins 1 kHz de la fréquence de résonance desdits actionneurs piézo-électriques équipant lesdits injecteurs de carburant. 10. Utilisation conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que ladite 10 fréquence de découpage est en outre écartée d'au moins 1 kHz des harmoniques de ladite fréquence de résonance.