Brevet FR2907615A3 — publié le 20080425

FR 2907615 A3 20080425 FR 0654388 A 20061019 1 DISPOSITIF ELECTRONIOUE DE GENERATION D'UNE TRES HAUTE TENSION CONTINUE A PARTIR D'UN RESEAU DE BORD AUTOMOBILE Domaine technique L'invention se rattache au domaine des équipements électriques installés dans des véhicules automobiles. Plus précisément, elle concerne un dispositif permettant de générer une tension continue élevée de l'ordre de plusieurs dizaines de kilovolts à partir de la tension du réseau de bord du véhicule. Cette très haute tension peut être utilisée dans diverses applications, et notamment pour l'alimentation d'un filtre électrostatique disposé dans la ligne d'échappement du véhicule. L'invention concerne plus spécifiquement la structure du circuit électronique permettant de générer cette très haute tension, ainsi que son mode de régulation. 15 Technique antérieures De façon générale, la technique de filtration par voie électrostatique utilise des très hautes tensions continues pour générer des phénomènes d'ionisation favorisant la capture des particules à filtrer par des cellules de filtrations 20 appropriées. Différents montages permettant de générer de très haute tension ont déjà été proposés et décrits dans les documents US 4 808 200, EP 0 034 075, GB 2 149 239, WO 90/07381, pour des applications industrielles sur des installations fixes. Ainsi, 25 la source d'énergie électrique utilisée pour ce type d'installation et le réseau secteur en tension alternative, monophasé ou triphasé. Une contrainte particulière dans le domaine automobile réside dans le fait que la source d'énergie électrique disponible est le réseau de bord du véhicule, qui 30 délivre une tension continue en basse tension, typiquement de quelques dizaines de volts maximum. 2907615 2 Dans les applications dans le domaine automobile, la génération de très haute tension est décrite dans les documents EP 0 519 882, FR 2 680 612 ou FR 2 861 802. 5 Le circuit électronique permettant de générer une très haute tension décrit dans le document FR 2 611 802, comporte un onduleur à résonance, alimenté par le réseau de bord du véhicule, et qui délivre une tension alternative à un transformateur élévateur monté en série avec le circuit oscillant formant l'étage de sortie de l'onduleur. L'enroulement secondaire de ce transformateur élévateur 10 alimente un montage multiplieur de tension capacitif, dont l'étage de sortie délivre la très haute tension à la charge consommatrice. Les systèmes connus à ce jour, et notamment ceux décrits dans les documents FR 2 861 802 et EP 0 519 882, fonctionnent en utilisant une régulation de tension, de manière à commander le rapport cyclique de l'onduleur pour délivrer une tension souhaitée au niveau de la charge consommatrice. Un problème se pose avec les systèmes utilisant une régulation en tension dans la mesure où l'énergie délivrée à la charge consommatrice n'est pas réellement maîtrisée, de sorte que les phénomènes dus à la très haute tension générée, et en particulier l'effet "Corona" ne sont pas optimisés. Exposé de l'invention L'invention concerne donc un dispositif électronique de génération d'une 25 tension continue et/ou très haute tension, à partir d'une source de tension continue basse tension d'un réseau de bord de véhicule automobile. Cette très haute tension est destinée au fonctionnement d'une charge consommatrice tel qu'en particulier un filtre électrostatique. De façon classique, un tel dispositif électronique comporte : 30 2907615 1 3 ^ un onduleur à résonance, qui génère une tension alternative à partir du réseau de bord. Cet onduleur comporte au moins un bras d'onduleur à base d'interrupteur statique ; ^ un transformateur élévateur, dont le primaire est connecté en série sur 5 l'étage de sortie de l'onduleur à résonance. Ce transformateur génère une tension alternative aux bornes de son ou ses enroulements secondaires ; ^ un multiplieur de tension capacitif, monté sur un enroulement secondaire du transformateur et générant sur son étage de sortie la tension continue élevée ou très haute tension, aux bornes desquelles est reliée la charge 10 consommatrice. Conformément à l'invention, ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte : ^ un organe de mesure du courant consommé par la charge consommatrice ; 15 ^ des moyens pour régler la fréquence de commande des interrupteurs statiques de l'onduleur à résonance en fonction de cette mesure de courant. Autrement dit, l'invention consiste à réguler la fréquence de fonctionnement 20 de l'onduleur à résonance de manière à situer cette fréquence dans une plage où la puissance délivrée par l'onduleur correspond aux besoins de la charge consommatrice. L'énergie délivrée à cette charge est correctement régulée, puisque la mesure du courant délivré sous très haute tension permet de bien maîtriser les phénomènes électrostatiques et en particulier l'effet "Corona". La commande en fréquence de l'onduleur se distingue de manière avantageuse des commandes classiques couramment employées fonctionnant sur le principe de la modulation de largeur d'amplitude (MLI ou PWM) qui agissent sur le temps de conduction des interrupteurs statiques de l'onduleur, à fréquence constante. En pratique, des organes de filtrage peuvent avantageusement être interposés entre la source de tension continue basse tension du réseau de bord et l'onduleur à résonance. Ces organes de filtrage peuvent inclure des filtres de mode commun 2907615 4 et/ou des filtres de mode différentiels, de manière en particulier à respecter les normes de la compatibilité électromagnétique. En pratique, la structure de l'onduleur à résonance peut être une structure en 5 pont, quatre quadrants deux bras d'onduleurs entre les points médians desquels est monté l'étage de sortie de l'onduleur. Ainsi, une structure en pont complet, qui comporte donc quatre interrupteurs permet de limiter l'amplitude du courant transitant dans l'étage de sortie. 10 En variante, il est également possible de remplacer un des demi-ponts de l'onduleur par un bras capacitif dont le point médian reçoit une des bornes de l'étage de sortie, c'est-à-dire du circuit oscillant. Cette variante permet de limiter le nombre de composants actifs nécessaires, mais engendre une augmentation de l'amplitude du courant traversant le circuit résonant, pour un même tension du 15 réseau de bord. En pratique, l'étage de sortie de l'onduleur à résonance, est constitué par un circuit résonant inclut un composant capacitif et un composant inductif. Dans une variante, le composant inductif peut être formé par l'inductance de fuite de 20 l'enroulement primaire du transformateur élévateur. En variante, il est également possible d'utiliser un composant inductif complémentaire, disposé en parallèle sur le condensateur du circuit résonant. Dans ce cas, la fréquence propre supplémentaire ainsi générée peut présenter des avantages dans le cas où la puissance nécessaire en sortie est faible sur certains points de fonctionnement. 25 Concernant l'étage élévateur de tension, il est possible d'utiliser plusieurs enroulements secondaires du transformateur, sur chacun desquels est connecté un multiplicateur de tension capacitif. Les étages de sortie de ces multiplieurs sont alors connectés en série de manière à obtenir une tension globale cumulant les 30 tensions de sortie de chacune des multiplieurs. 2907615 1 5 On peut ainsi utiliser des composants de tenue en tension classe moindre pour obtenir toutefois une sortie en très haute tension. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est possible que certains enroulements secondaires soient bobinés en opposition par rapport aux autres 5 enroulements secondaires, de manière à limiter l'induction maximale dans le circuit magnétique du transformateur. Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent 10 ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : La figure 1 est un schéma représentant un mode préféré de réalisation du circuit électronique conforme à l'invention. La figure 2 est un synoptique illustrant le fonctionnement de l'invention, en 15 incluant des aspects de contrôle/commande. Manière de réaliser l'invention Comme illustré à la figure 1, le circuit de génération de très haute tension conforme à l'invention permet de délivrer une tension THT (de polarité négative 20 sur la figure 1) à une charge applicative (40), à partir d'une tension BT continue correspondant au réseau de bord. Comme illustré schématiquement à la figure 1, ce réseau de bord (1) peut être constitué par la batterie de l'accumulateur du véhicule. Cette tension est de l'ordre de la dizaine de volts, pouvant travailler jusqu'à quelques dizaines de volts. 25 La tension BT délivrée entre les bornes (2, 3) d'entrée du dispositif conforme à l'invention est appliquée à un filtre de mode commun (4), constitué par une double inductance couplée. Ce filtre de mode commun (4) est lié à un filtre de mode différentiel qui peut être constitué de différentes manières selon les 30 contraintes technologiques. Ainsi dans l'exemple illustré, le premier condensateur de forte valeur capacitive (6) est un condensateur du type chimique disposé en amont d'une inductance (7), elle-même en amont d'une paire de condensateurs à 2907615 6 savoir un condensateur chimique (8) associé à un condensateur céramique (9). La sortie de ce filtre de mode différentiel (5) délivre la tension d'entrée à l'onduleur à résonance (10). 5 Dans la forme illustrée à la figure 1, cet onduleur est constitué d'un pont comportant deux demi-ponts (11, 12) eux-mêmes constitués de deux bras d'onduleurs identiques. Dans une variante non représentée, le demi-pont (12) peut être remplacé par 10 une paire de condensateur remplaçant chacun un bras d'onduleur. Dans ce cas, le nombre de composants global est inférieur, puisque certains composants actifs et les circuits de commutation ne sont plus nécessaires. En revanche, le courant qui transite dans l'onduleur est d'amplitude environ 15 double, de sorte que les composants de l'onduleur peuvent avoir une tenue en courant deux fois plus importantes, pour une même tension de réseau de bord. Ainsi, chaque bras comporte principalement un interrupteur statique (16) commandé par une unité de contrôle/commande (35), associé à un circuit d'aide à 20 la commutation (15), incluant typiquement une capacité et une résistance et en série avec une inductance de commutation Lc. En pratique, les interrupteurs statiques employés peuvent être de différentes natures en fonction des puissances requises. Ainsi, chaque interrupteur peut être 25 formé d'un transistor IGBT avec une diode en anti-parallèle, ou bien encore d'un transistor de type MOSFET avec ou sans diode en anti-parallèle. Les points médians (25, 26) des deux demi-ponts (11, 12) sont connectés à l'étage de sortie de l'onduleur à résonance, constitués par un circuit résonant de 30 type LC. Plus précisément, dans la forme illustrée à la figure 1, le circuit résonant comporte un condensateur CR en série avec la résistance Lf de fuite de l'enroulement primaire (21)du transformateur (20). 2907615 7 Il est possible d'utiliser une inductance constituée par un composant spécifique en série avec le condensateur CR. Toutefois, l'utilisation de l'inductance de fuite du transformateur permet d'économiser un tel composant. 5 Dans la forme illustrée, le condensateur du circuit résonance CR présente en parallèle une inductance complémentaire Lp. Dans ce cas, la fréquence propre du circuit résonant formé par l'inductance Lp et le condensateur CR, constitue un point singulier pour lequel lorsque l'onduleur est commandé à une fréquence identique, 10 la puissance transmise est quasi nulle. Toutefois, la présence de l'inductance Lp n'est pas obligatoire pour le bon fonctionnement de l'invention. 15 Comme déjà évoqué, le transformateur (20) comporte un enroulement primaire (21) et un ou plusieurs enroulements secondaires (23). Dans le but de générer une très haute tension, le transformateur (20) est bien entendu élévateur. Typiquement le rapport du transformateur est de l'ordre de1000 ou plus. Dans la forme illustrée, ce transformateur (20) peut comporter plusieurs enroulements 20 secondaires, bien que cela ne soit pas une condition absolument nécessaire pour le bon fonctionnement de l'invention. Chaque enroulement secondaire est connecté à un montage multiplieur de tensions capacitif comprenant un premier condensateur C, deux diodes D1 et D2, et une capacité de sortie Cs. 25 Bien entendu, le multiplieur de tension capacitif peut comporter en cascade plusieurs cellules incluant chacune deux condensateurs et deux diodes, de manière à augmenter le facteur de multiplication. Dans la forme illustrée, les différents condensateurs Cs de chacun des étages 30 multiplieurs sont disposés en série, de manière à augmenter la tension THT globale, tout en employant des composants ayant une tenue en tension correspondant à celle d'un étage multiplieur unitaire. 2907615 8 En pratique, un compromis doit être trouvé entre d'une part, le nombre de cellules en cascades dans le multiplieur de tension, et d'autre part, le rapport du transformateur. Ce compromis est trouvé en cherchant à minimiser les pertes et les capacités parasites au niveau du transformateur, en évitant donc un rapport de transformation trop élevé. De même, le nombre de cellules du montage multiplieur de tension ne doit pas être trop important pour limiter le nombre de composants nécessaires. 10 Dans la forme illustrée, les secondaires (23, 24) du transformateur (20) sont bobinés dans le sens opposé, de manière à limiter l'induction maximale dans les circuits magnétiques du transformateur, et ainsi éviter les phénomènes de saturation, et à tout le moins les pertes élevées dus à des phénomènes d'hystérésis. 15 Pour assurer la régulation en courant caractéristique, un capteur de courant (36) est disposé en série avec la charge applicative (40) pour mesurer le courant délivré par le dispositif caractéristique. Ainsi, et comme illustré à la figure 2, le capteur (36) permet d'effectuer une mesure du courant I consommé par la charge 20 applicative (40). Ce courant (36) est comparé à une consigne (45) déterminée en fonction d'une modélisation de la charge applicative. La différence entre la consigne et la valeur mesurée du courant de la charge (40) est filtrée par un correcteur classique (46), du type proportionnel ou proportionnel intégral, pour élaborer au niveau de l'unité de contrôle commande (35) une valeur de fréquence 25 de fonctionnement de l'onduleur. Cette valeur de fréquence correspond à la fréquence de commande des interrupteurs statiques de l'onduleur. Cette fréquence de découpage peut être choisie dans une plage s'étendant autour de la fréquence propre du circuit résonant, composé du condensateur de 30 résonance CR et de l'inductance de fuite LF du transformateur (20). 5 2907615 1 9 Différents modes de fonctionnement peuvent être choisis. Il est ainsi possible de fonctionner dans un mode continu, c'est-à-dire en dessous de cette fréquence de résonance, et au-dessus de la moitié de cette même fréquence. Il est également possible de choisir cette fréquence en dessous de la moitié de la fréquence de 5 résonance propre ou bien encore au-dessus de la fréquence de résonance propre. Bien entendu, plus la fréquence de découpage se rapproche de la fréquence de résonance propre, et plus la puissance transmise est importante. 10 Il ressort de ce qui précède que le circuit conforme à l'invention permet d'assurer une régulation effective et précise du courant délivré à la charge applicative, permettant une maîtrise des phénomènes électrostatiques. L'invention peut donc être avantageusement utilisée dans toute application 15 nécessitant un générateur de très haute tension continue, pour des fonctions relatives à la dépollution, au traitement de l'air et/ou encore le reformage de carburants par exemple. REVENDICATIONS 1/ Dispositif électronique de génération d'une tension continue élevée, à partir d'une source de tension continue basse tension (1) d'un réseau de bord de véhicule automobile, pour le fonctionnement d'une charge consommatrice (40) tel qu'un filtre électrostatique, comportant : ^ un onduleur à résonance (10), générant une tension alternative à partir de ladite source de tension continue basse tension, et présentant au moins un demi-pont (11, 12) d'onduleur comportant des interrupteurs statiques (15-19) ; ^ un transformateur élévateur (20), dont le primaire (21) est connecté en sortie de l'onduleur à résonance (10), et qui génère une tension alternative aux bornes du ou de ses enroulements secondaires (23) ; ^ un multiplieur de tension capacitif (29), monté sur un enroulement secondaire (23) du transformateur, générant sur son étage de sortie, une tension continue élevée UTHT, aux bornes desquelles est reliée la charge consommatrice, caractérisé en ce qu'il comporte : • un organe (36) de mesure du courant I consommé par ladite charge 20 consommatrice (40) ; • et des moyens pour régler la fréquence de commande des interrupteurs statiques (15-19) de l'onduleur à résonance en fonction de ladite mesure de courant ; 25 2/ Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que des organes de filtrage (4, 5) sont interposés entre la source de tension continue basse tension et l'onduleur à résonances. 3/ Dispositif électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les 30 organes de filtrage incluent un filtre de mode commun (4) et/ou un filtre de mode différentiel (5). 2907615 11 4/ Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'onduleur (10) est un pont quatre quadrants, l'étage de sortie de l'onduleur à résonance était monté entre les points médians des deux demi-ponts 5 5/ Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'onduleur comporte un demi-pont d'onduleur et un bras capacitif, entre les points médians desquels est monté l'étage de sortie de l'onduleur. 6/ Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage de 10 sortie de l'onduleur à résonances comporte un circuit résonnant combinant un composant capacitif CR et un composant inductif Lp. 7/ Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant inductif est formé par l'inductance de fuite LF du primaire (21) du 15 transformateur. 8/ Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur comporte plusieurs enroulements secondaires (23, 24) à chacun desquels est connecté un multiplicateur de tension capacitif (19), les étages de sorties desdits multiplieurs étant connectés en série. 9/ Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que certains des enroulements secondaires (24) sont bobinés en opposition aux autres enroulements secondaires (23).25