Brevet FR2914685A1 — publié le 20081010

SYSTÈME D'ALIMENTATION ÉLECTRIQUE D'UN DISPOSITIF DE DÉPOLLUTION A PLASMA DESTINÉ À ÊTRE MONTÉ SUR UN VÉHICULE AUTOMOBILE Domaine Technique La présente invention concerne un système d'alimentation électrique pour certains dispositifs équipant les véhicules automobiles, et nécessitant la formation de plasma, et donc la génération de tensions électriques particulièrement élevées. A titre d'exemple, ces types de dispositifs peuvent être employés pour des fonctions de dépollution, typiquement pour la dépollution des effluents gazeux, ou la désodorisation de l'habitacle du véhicule, voire encore pour le reformage d'hydrocarbures dans le cas d'emploi de piles à combustible. L'invention concerne plus spécifiquement l'architecture du système 15 d'alimentation permettant de générer de telles tensions. Techniques antérieures De façon générale, la génération de très hautes tensions, de l'ordre de plusieurs milliers de volts, nécessite l'emploi de convertisseurs particuliers, dans la 20 mesure où la source d'alimentation électrique formant le réseau de bord disponible sur un véhicule, est alimentée à partir d'une batterie d'accumulateur, dont la tension est généralement de l'ordre de 12, voire 24 Volts. De tels convertisseurs incluent donc généralement une structure de convertisseur à résonance, combinée avec un transformateur élévateur de tension, et éventuellement des montages 25 multiplieurs de tension capacitifs. Des exemples de ces systèmes d'alimentation sont en particulier décrits dans les documents FR-2 861 802 et EP-0 519 882, ou US-6 777 881. Ces systèmes, bien que donnant satisfaction, présentent toutefois un certain 30 nombre d'inconvénients. En effet, dans la mesure où ils sont destinés à générer des tensions élevées, de l'ordre de plusieurs dizaines de kilovolts, pour fournir des puissances de l'ordre du kW, ils engendrent des stress en courant relativement importants sur les composants situés dans les étages d'entrée du convertisseur à résonance. Ces courants peuvent en effet atteindre des crêtes de l'ordre de 200 Ampères pour un réseau de bord en 12 volts, et des consommations de l'ordre du kilowatt par exemple. De même, les tensions très élevées que nécessitent les dispositifs à plasma, génèrent des stress importants en tension sur les composants situés au niveau des étages de sortie des convertisseurs à résonance, et en particulier au niveau des transformateurs élévateurs, des condensateurs au niveau des multiplieurs de tension, ainsi que pour les composants semi-conducteurs avoisinants. L'un des objectifs de l'invention est de réduire les contraintes électriques et thermiques sur les composants des systèmes d'alimentation, de manière à permettre des dimensionnements plus économiques, et augmenter les rendements de fonctionnement. Exposé de l'invention L'invention concerne donc un système d'alimentation électrique d'un dispositif de dépollution à plasma, destiné à être monté sur un véhicule automobile équipé d'une source de tension continue alimentant le réseau de bord électrique du véhicule. Conformément à l'invention, ce système d'alimentation se caractérise en ce qu'il comporte un ensemble d'au moins deux convertisseurs à résonances, l'ensemble des convertisseurs étant tous reliés en entrée sur la source de tension du réseau de bord du véhicule. Les sorties de ces convertisseurs sont reliées en série ou en parallèle entre elles et aux bornes du dispositif de dépollution à plasma. Complémentairement, les ordres de commande des convertisseurs à résonances sont synchronisés. Autrement dit, l'invention consiste à utiliser plusieurs convertisseurs à résonance alimentant simultanément la même charge, de manière à réduire les contraintes électriques et thermiques au niveau des composants électriques formant le convertisseur. En effet, les différents convertisseurs conformes à l'invention ayant leurs étages d'entrée reliés en parallèle sur leur réseau de bord, ils ne voient passer qu'une fraction du courant nécessaire pour produire la puissance globale, avec donc des stress en courant moindres. Les gains en matière de contraintes thermiques sont également appréciables, dans la mesure où elles sont généralement proportionnelles au carré du courant. Grâce à cette conception modulaire du système d'alimentation, il est ainsi possible d'employer des composants de faible volume, et avantageusement réalisés en technologie CMS lui permettant donc un montage automatisé, et un volume global particulièrement réduit. La combinaison du fonctionnement de plusieurs convertisseurs à résonance présente de multiples avantages, et ce en fonction de la manière dont fonctionne chacun des convertisseurs, qu'il s'agisse d'un fonctionnement en mode continu, alternatif, voire impulsionnel. Ainsi, dans un premier cas de figure, les ordres de commande des convertisseurs à résonances peuvent être synchronisés et déphasés, de telle sorte que les tensions en sortie des convertisseurs à résonances sont elles-mêmes également déphasées, d'un angle de 2t/N, où N est le nombre de convertisseurs opérationnels. Autrement dit, le système fonctionne selon un mode polyphasé, dans lesquels chaque convertisseur fournit une énergie en sortie sensiblement équivalente, mais en consommant en entrée un courant, dont la composante alternative est déphasée d'un convertisseur à l'autre. De la sorte, le filtre installé à l'entrée de l'alimentation en amont des convertisseurs, peut être dimensionné de façon réduite, du fait de la diminution de l'ondulation du courant global consommé. Dans un autre mode de fonctionnement, il peut être avantageux que les ordres de commande des convertisseurs à résonances soient synchronisés et en phase, de telle sorte que les tensions en sortie des convertisseurs soient également en phase. Ce mode est particulièrement utile pour un fonctionnement en mode impulsionnel, permettant d'obtenir des tensions très élevées, de l'ordre de plusieurs dizaines de kilovolts, et avec des temps de montée faibles. Dans ce cas, les sorties des convertisseurs sont avantageusement reliées en série, de manière à additionner les tensions de sortie de chacun des convertisseurs. Selon une autre caractéristique de l'invention, il peut être utile dans ce mode de fonctionnement impulsionnel d'utiliser un mode bipolaire, tel que décrit dans le document US-6 156 162. En effet, dans ce cas, l'impulsion positive est immédiatement suivie par une impulsion négative, ce qui a pour effet de renforcer le champ électrique à l'arrivée de l'impulsion suivante, de polarité inverse entre les électrodes du réacteur plasma. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système peut comporter des moyens pour faire varier le nombre de convertisseurs opérationnels parmi l'ensemble des convertisseurs disponibles, et ce en fonction de la puissance électrique consommée par le dispositif à plasma. En d'autres termes, une partie seulement des convertisseurs peuvent être mis en marche, dans le cas de fonctionnement à faible puissance. En effet, le fonctionnement des convertisseurs à résonance sous très faible charge pose généralement des problèmes de stabilité et de rendement. Ainsi, en diminuant le nombre de convertisseurs opérationnels lors du fonctionnement à faible charge, on répartit la puissance à fournir sur un nombre réduit de convertisseurs qui fonctionnent ainsi correctement. Le cas échéant, le déphasage des ordres de commande des convertisseurs à résonance est ainsi adapté en fonction du nombre de convertisseurs opérationnels, de manière à conserver des déphasages equirépartis permettant de limiter l'ondulation en entrée. L'architecture modulaire du système d'alimentation conforme à l'invention permet son fonctionnement en différents modes, qu'il s'agisse d'un mode impulsionnel, ou bien encore en continu, auquel cas chaque convertisseur comporte en sortie un étage de redressement, de manière à délivrer une tension continue. Description des figures La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : la figure lest un schéma montrant de manière simplifiée les principaux 10 éléments constituant un convertisseur à résonance ; les figures 2 et 3 sont des schémas simplifiés montrant la manière dont sont connectés les différents convertisseurs à résonance constituant l'invention ; les figures 4a et 4b sont deux chronogrammes montrant le courant 15 consommé par deux convertisseurs à résonance fonctionnant dans un système conforme à l'invention ; la figure 4c est un chronogramme montrant le courant global consommé par un système conforme à l'invention, comprenant deux convertisseurs à résonance dont les courants consommés sont illustrés aux figures 4a et 4b ; 20 la figure 5 est un schéma simplifié montrant un système incluant trois convertisseurs à résonance, fonctionnant selon un mode impulsionnel ; la figure 6c est un chronogramme montrant la tension de sortie au niveau de la charge de la figure 5, lorsque les ordres de commande correspondant aux figures 6a et 6b sont appliqués. 25 Manière de réaliser l'invention De manière générale, et comme illustré à la figure 1, un convertisseur à résonance 1 est alimenté en entrée par une source de tension continue, typiquement 30 le réseau de bord du véhicule, alimenté par une batterie d'accumulateurs 2. En entrée, le convertisseur comporte un pont ou un demi-pont à découpage 3, incluant typiquement des transistors de type Mosfet ou IGBT fonctionnant à une fréquence élevée, de l'ordre de quelques dizaines ou quelques centaines de kHz. Ce pont à découpage 3 débite dans un circuit résonant L-C 4 en série. Ce circuit L-C est en série avec le primaire 6 d'un transformateur élévateur de tension 5. Dans le cas illustré à la figure 1, le secondaire 7 du transformateur 5 alimente un montage redresseur 8, typiquement en passe d'un pont de diodes. Cette tension est ensuite filtrée, par exemple à base d'un filtre capacitif 9, pour ensuite délivrer une tension V3 à la charge. Par l'application d'ordres appropriés 12 au niveau du pont à découpage 20, 21 22, la puissance transmise par le convertisseur à résonance peut être ajustée. Conformément à l'invention, le système d'alimentation du dispositif à plasma, inclut un ensemble de convertisseurs à résonance qui, comme illustré à la figure 2, sont tous reliés en parallèle au niveau de leur étage d'entrée sur le réseau de bord 2 du véhicule. Dans la forme illustrée à la figure 2, les étages de sortie de chacun des convertisseurs 20, 21, 22 sont reliés en série, de manière à délivrer à la charge une tension V10 égale à la somme des tensions V20 V21 V22 délivrées par chacun des convertisseurs 20, 21, 22. Dans une variante illustrée à la figure 3, les étages de sortie des différents convertisseurs 30, 31, 32 peuvent être reliés en parallèle. Cette configuration est plus adaptée lorsque la tension V10 que requiert la charge est moins élevée, et qu'en revanche, le courant de charge est plus important. Dans ce cas, les courants 130, 131, 132 de chacun des convertisseurs 30, 31, 32 s'ajoutent pour donner le courant 110 consommé par la charge. Conformément à une caractéristique importante de l'invention, les ordres de commande de chacun des convertisseurs à résonance peuvent être organisés de manière à optimiser certains paramètres de fonctionnement du système d'alimentation. Ainsi, comme illustré aux figures 4a à 4c, le courant en entrée du système d'alimentation peut présenter un facteur d'ondulation optimisé. Plus précisément, les figures 4a et 4b illustrent le courant en entrée, prélevé sur le réseau de bord pour un convertisseur à résonance, pris isolément. Ce courant I20, 121 présente une forme à base de la portion de sinusoïde redressée. On constate, en comparant les figures 4a et 4b, que les formes d'ondes sont identiques, mais déphasées d'une demi-période, c'est-à-dire d'un angle de déphasage de Tc. La figure 4c illustre la somme I2 des deux courants des figures 4a et 4b, d'où il apparaît que le taux d'ondulation du courant est nettement moindre. Il en résulte que le filtrage nécessaire en entrée du système d'alimentation peut être dimensionné en conséquence, et présenter à puissance équivalente un moindre encombrement. Dans le cas où la sortie du système d'alimentation est également continue, le courant délivré à la charge, présente une forme d'onde analogue au courant en 15 entrée. L'ondulation au niveau du courant de charge est donc également réduite. Bien entendu, les figures 4a à 4c sont données pour un système d'alimentation incluant deux convertisseurs à résonance, mais l'invention peut être déclinée en utilisant un nombre plus important N de convertisseurs. Dans ce cas, le 20 déphasage entre les ordres de commande de chacun des convertisseurs, est de 27c/N. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 5, chaque convertisseur à résonance 60, 61, 62 fonctionne selon un mode impulsionnel, qui peut être 25 unipolaire ou bipolaire. Les interrupteurs Qii, Q12, Q21, Q22, Qni et Q1Z illustrés à la figure 6 peuvent être réalisés de différentes manières, et en particulier par des thyristors ou des transistors de type IGBT, combinés avec une diode en anti- parallèle, voire par des transistors Mosfet. Deux modes de commande sont possibles, à savoir une commande des interrupteurs en phase, et une commande 30 déphasée. Dans ce dernier cas, la commande d'un interrupteur inférieur Q12, Q22, Q,,2 permet de générer la tension de sortie comme illustré à la figure 7, dans laquelle la commande d'un premier convertisseur, selon l'ordre de fonctionnement de l'interrupteur Q12 montré en figure 6a, permet de générer en sortie une impulsion de tension, et plus précisément une impulsion sinusoïdale 70 d'une période unique comme illustré en figure 6c. La commande du second convertisseur, selon l'ordre illustré dans la figure 6b, et décalée dans le temps de déphasage approprié, permet de délivrer également le même type de tension de sortie 71, avec le même décalage temporel. La largeur de l'impulsion est déterminée par les caractéristiques du circuit résonant du convertisseur, à savoir l'inductance L et le condensateur C ainsi que les caractéristiques du transformateur élévateur. Dans le cas de la figure 5, un convertisseur continu-continu de type flyback par exemple peut être rajouté entre la batterie et l'entrée de l'ensemble des convertisseurs pour l'élévation de la tension (à 500 V par exemple). Il ressort de ce qui précède que le système d'alimentation conforme à l'invention présente l'avantage par rapport aux solutions à convertisseur unique, d'améliorer les performances globales, en termes de réduction des contraintes thermiques et électriques sur les composants passifs et actifs, ainsi qu'en termes de rendement global. Par ailleurs, le fonctionnement en mode polyphasé permet d'améliorer la réponse dynamique du système, et de réduire le dimensionnement des filtres d'entrée et de sortie. En outre, la modularité, c'est-à-dire la possibilité d'utiliser qu'un nombre partiel de convertisseurs sur l'ensemble disponibles, permet des fonctionnements à faible charge, qui sont généralement problématiques pour les convertisseurs à résonance. REVENDICATIONS 1/ Système d'alimentation électrique d'un dispositif 10 de dépollution à plasma destiné à être monté sur un véhicule automobile équipé d'une source de tension continue 2 alimentant le réseau de bord du véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble d'au moins deux convertisseurs à résonance 20, 21, 22, l'ensemble des convertisseurs étant tous reliés en entrée sur la source de tension 2 du réseau de bord du véhicule, les sorties desdits convertisseurs 20, 21, 22 étant reliées en série ou en parallèle entre elles aux bornes du dispositif de dépollution 10, et en ce que les ordres 12 de commande des convertisseurs à résonances sont synchronisés. 2/ Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les ordres de commande 12 des convertisseurs 20, 21, 22 à résonance sont synchronisés, et déphasés de telle sorte que les tensions en sortie des convertisseurs à résonances sont déphasées d'un angle de 2t/N, où N est le nombre de convertisseurs opérationnels. 3/ Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ordres de commande des convertisseurs à résonances sont synchronisés et en phase, de telle sorte que les 20 tensions en sortie des convertisseurs sont en phase. 4/ Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour faire varier le nombre de convertisseurs opérationnels parmi l'ensemble des convertisseurs disponibles, en fonction de la puissance électrique consommée par 25 le dispositif à plasma. 5/ Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le déphasage des ordres de commande des convertisseurs à résonances est adapté en fonction du nombre de convertisseurs opérationnels. 6/ Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque convertisseur 60, 61, 62 à résonance fonctionne selon un mode impulsionnel. 307/ Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque convertisseur 1 comporte un étage de redressement 8 en sortie, de manière à délivrer une tension continue.5