Brevet FR2918816A1 — publié le 20090116

-1- DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE D'UN GENERATEUR DE PLASMA D'UN VEHICULE AUTOMOBILE ET SYSTEME COMPRENANT DE TELS DISPOSITIFS DOMAINE DE L'INVENTION 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 d'alimentation permettant 15 de générer de telles tensions. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE Un réacteur de plasma du type à décharge à barrière diélectrique ou à effet corona, utilisé dans 20 la dépollution de gaz d'échappement d'un véhicule automobile, nécessite d'être alimenté par des impulsions électriques de plusieurs centaines de volts, voire plusieurs centaines de kilovolts. Il est donc nécessaire de prévoir dans le véhicule des convertisseurs de tension particuliers, 25 dans la mesure où la source d'alimentation électrique usuellement disponible dans le véhicule est une batterie d'accumulateurs, dont la tension est généralement de 12 volts ou de 24 volts. De tels convertisseurs incluent généralement une structure de convertisseur à résonance, combinée avec un transformateur élévateur de tension, et éventuellement des montages 30 multiplieurs de tension capacitifs. Or, un transformateur élévateur présente intrinsèquement un temps de réponse important qui limite le temps de montée des impulsions d'alimentation du réacteur de plasma à quelques dizaines de microsecondes, ce qui a pour effet de ne pas avoir une décharge se répartissant et 35 remplissant le volume inter-électrodes du réacteur. Le but de la présente invention est de proposer un système d'alimentation électrique d'un réacteur de plasma qui fournit des impulsions au temps de montée très rapide, -2- indépendamment de la technologie utilisée pour générer une haute tension à partir d'une basse tension du véhicule. EXPOSE DE L'INVENTION A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'alimentation électrique d'un réacteur de plasma d'un véhicule automobile, du type comprenant des moyens de conversion d'une tension délivrée par une source de basse tension continue équipant le véhicule en une haute tension continue. 10 Selon l'invention, le dispositif comporte : ^ des moyens capacitifs de stockage d'énergie connectés en sortie des moyens de conversion et aptes à stocker de l'énergie à la haute tension ; et ^ des moyens formant commutateur pilotable, agencés en sortie des moyens capacitifs de 15 stockage et aptes à commander une charge des moyens capacitifs depuis les moyens de conversion lorsqu'ils sont dans un état ouvert et une décharge des moyens capacitifs de stockage vers ledit réacteur de plasma lorsqu'ils sont dans un état fermé. Ainsi, le temps de montée de l'impulsion formée par la décharge des moyens capacitifs de 20 stockage est dépendant de caractéristique de ceux-ci et de celles des moyens formant commutateur et non plus des caractéristiques des moyens de conversion. Or, l'utilisation d'une décharge capacitive déclenchée par commutation permet d'atteindre des temps de montée de quelques dizaines de nanosecondes. Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention, le dispositif comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : ^ les moyens capacitifs de stockage comprennent au moins un condensateur connecté en 30 parallèle en sortie des moyens de conversion ; ^ les moyens formant commutateur comprennent des commutateurs à semi-conducteur agencés en série et pilotables simultanément ; ^ les commutateurs à semi-conducteur comprennent chacun un transistor agencé pour fonctionner dans une zone d'avalanche ; 35 ^ les moyens capacitifs de stockage et les moyens formant commutateur sont agencées de manière à former au moins deux étages de stockage capacitifs et de commutation successifs, chacun des au moins deux étages étant aptes à stocker de manière capacitive 25 -3- de l'énergie à la haute tension et à être déchargé de manière indépendante des autres étages ; ^ chacun des aux moins deux étages comporte un condensateur apte à être chargé en parallèle de en sortie des moyens de conversion et un commutateur pilotable associé à celui-ci et apte à charger le condensateur lorsqu'il est donc un état fermé et à décharger le condensateur lorsqu'il est dans son état ouvert ; et ^ les moyens formant commutateur comprennent des commutateurs à transistor MOSFET et/ou IGBT et/ou des commutateurs à transistor à avalanche. L'invention a également pour objet un système d'alimentation électrique d'un réacteur de plasma d'un véhicule automobile. Selon l'invention, le système comporte au moins deux dispositifs du type précité. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les aux moins deux dispositifs du système présentent des polarités opposées. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels : ^ la figure 1 est une vue schématique d'une architecture générale d'un dispositif selon l'invention ; ^ la figure 2 est une vue schématique d'un circuit de conversion de tension entrant dans la constitution de l'architecture de la figure 1 ; ^ la figure 3 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation particulier du dispositif de la figure 1 ; ^ la figure 4 est une vue schématique d'un second mode de réalisation du dispositif de la figure 1 ; et ^ la figure 5 est une vue schématique d'un système selon l'invention comportant des dispositifs selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Sur la figure 1, on a illustré de manière schématique une architecture générale selon l'invention d'un circuit 10 d'alimentation d'un réacteur de plasma 12 à partir d'une source de basse tension 14, telle qu'une batterie d'accumulateurs équipant un véhicule automobile de35 -4- tension nominale comprise entre 12 et 24 volts. Le réacteur de plasma 12 est agencé dans une ligne d'échappement du véhicule automobile, par exemple dans un filtre à particules, pour la dépollution de gaz d'échappement. Le circuit d'alimentation 10 comporte un circuit de conversion de tension 16, connecté électriquement à un réseau de bord 18 du véhicule alimenté par la batterie d'accumulateurs 14. Le circuit de conversion 16 élève la basse tension VBT du réseau de bord 18 en une haute tension continue VHT appropriée pour l'alimentation du réacteur de plasma 12, par exemple 20 kilovolts, et comprend à cet effet une pluralité de convertisseurs à résonance 20, 22, 24. Les convertisseurs à résonance 20, 22, 24, par exemple au nombre de quatre, sont connectés en parallèle au réseau de bord 18 et convertissent chacun la basse tension continue VBT du réseau 18 en une haute tension continue Vs, par exemple en une tension de 5 kilovolts. Les sorties des convertisseurs 20, 22, 24 sont connectées en série de sorte que la tension totale VHT en sortie du circuit de conversion 16 est égale à la somme des tensions Vs de sortie des convertisseurs 20, 22, 24. La figure 2 est une vue schématique d'un convertisseur à résonance 20, 22, 24, par exemple le convertisseur 20. En entrée, le convertisseur 20 comporte un pont ou un demi-pont à découpage 30, 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 30 est connecté en entrée au réseau de bord 18 et débite dans un circuit résonant L-C 32 en série. Ce circuit L-C 32 est en série avec un primaire 34 d'un transformateur élévateur de tension 36. Dans le cas illustré à la figure 2, un secondaire 38 du transformateur 36 alimente un montage redresseur 40, typiquement en passe d'un pont de diodes. Cette tension est ensuite filtrée, par exemple à base d'un filtre capacitif 42, pour ensuite délivrer une tension Vs en sortie. Par l'application d'ordres appropriés 44 au niveau du pont à découpage 30, la puissance transmise par le convertisseur à résonance 20 peut être ajustée. L'utilisation d'une pluralité de convertisseurs à résonance 20, 22, 24 permet de fournir une 35 haute tension VHT tout en réduisant les contraintes électriques et thermiques au niveau de leurs composants électriques. En effet, l'utilisation d'un unique convertisseur pour obtenir la haute tension souhaitée implique des tensions et des courants importants dans celui-ci ayant pour effet un taux de défaillance élevé.30 -5- En se référant de nouveau à la figure 1, le circuit d'alimentation 10 comporte par ailleurs un circuit de stockage capacitif 46, connecté en parallèle à la sortie du circuit de conversion 16, un circuit de commutation pilotable 48, connecté entre le circuit de stockage 46 et le réacteur de plasma 12, et un circuit 50 de mise en forme d'impulsion et de limitation de courant en présente de claquage, connecté en série avec le circuit de commutation 48 et entre celui-ci et le réacteur de plasma 12. La fermeture du circuit de commutation 48 a pour effet de décharger le circuit de stockage 46 10 vers le réacteur de plasma 12 et l'ouverture du circuit de commutation 48 a pour effet de charger le circuit de stockage 46 à la tension de sortie du circuit de conversion 16. Enfin, le circuit d'alimentation 10 comprend un circuit 52 de pilotage du circuit de commutation 48. Ce circuit de pilotage 52 commande les instants de commutation du circuit 15 52, comme cela sera expliqué plus en détail par la suite. Dans un premier mode de réalisation particulier de l'architecture de la figure 1 et illustré à la figure 3, le circuit de stockage capacitif 46 comporte un condensateur 60 connecté en parallèle à la sortie du circuit de conversion 16 et une résistance 62 connectée par l'une de ses bornes à 20 une borne du condensateur 60 de manière à limiter le courant de charge du circuit de stockage 46. Le circuit de commutation 48 comporte une pluralité d'interrupteurs 64-72 à transistors bipolaires fonctionnant dans une zone d'avalanche qui se caractérise par une commutation 25 entre un état bloqué et un état passant très rapide, c'est-à-dire d'environ une centaine de picosecondes ou moins. Chaque interrupteur 64-72 comprend un transistor bipolaire NPN 74-82, une résistance 84-92 connectée entre l'émetteur et la base du transistor 74-80 et une impédance du type résistance 30 connectée entre l'émetteur et le collecteur du transistor 74-82. Les interrupteurs 64-72 sont connectés en série, l'émetteur du transistor d'un interrupteur étant connecté au collecteur du transistor d'un interrupteur adjacent. Le premier interrupteur 64 de la série d'interrupteur a quant à lui son collecteur connecté à la borne libre de la 35 résistance 62 et au circuit de mise en forme 50. Le dernier interrupteur 72 est pour sa part connecté au circuit de pilotage 52. -6Le circuit de pilotage 52 comporte un générateur d'impulsion 104 et un module de transformation d'impulsion 106 connecté audit générateur 104. Le module de transformation d'impulsion 106 comporte un étage d'entrée formé du primaire 108 d'un transformateur 110 et d'un circuit R-C 112 connecté en parallèle du générateur d'impulsion 104 pour en recevoir des impulsions de pilotage. Le module de transformation d'impulsion 106 comporte par ailleurs un étage de sortie formé du secondaire 114 du transformateur 110, connecté en série avec la résistance 92 de l'interrupteur 72. En fonctionnement, le générateur d'impulsion 104 émet des impulsions de pilotage de l'interrupteur 82 qui sont transformées par le module 106. En fonction de la valeur des impulsions au secondaire du transformateur 110, les transistors bipolaires 74-80 commutent entre leur état passant et leur état bloqué de manière sensiblement simultanée. Ainsi, lorsque les transistors 74-80 sont dans leur état bloqué, aucun courant ne circule en sortie du condensateur 60 qui se charge ainsi à la tension de sortie du circuit de conversion 16. Lorsque les transistors 74-80 sont dans leur état passant, le transistor 60 se décharge alors vers le circuit de mise en forme 50 et le réacteur de plasma 12 est alors alimenté. Plus particulièrement, au début et avant l'envoi de signaux de commande par le générateur 104, le circuit de commutation 48 est dans l'état bloqué et le condensateur 60 se charge par l'intermédiaire du circuit de conversion 16. Les transistors 74-80 du circuit de commutation 48 se répartissent alors de manière uniforme la tension aux bornes du condensateur 60. La commande du transistor 82 par le générateur 104 rend celui-ci passant et par conséquent le premier générateur 74 du circuit de commutation subit une surtension et a le double de sa tension de claquage à ses bornes, ce qui le rend également passant. Par la suite, le second transistor 76 a trois fois la tension de claquage à ses bornes et devient également passage en subissant un claquage par avalanche, et ainsi de suite. Le circuit de commutation 48 devient donc entièrement conducteur et le condensateur 60 se 30 décharge à travers le circuit de mise en forme 50 dans le réacteur 12. La durée et la forme de l'impulsion haute tension générée aux bornes du réacteur 12 est déterminée par l'amplitude de la tension de charge du condensateur 60, la valeur du condensateur 60, le circuit de mise en forme 50 et le réacteur 12. L'utilisation de plusieurs interrupteurs en série 64-72 a pour effet de diviser la haute tension aux bornes du circuit de commutation 48 parmi les différents interrupteurs. De fait, il est possible d'utiliser des transistors bipolaires de faible puissance qui sont rapides. De même, le 35 -7- transformateur 110 du circuit de pilotage 52 est de faible puissance et ne présente pas un retard de réponse comme cela est le cas du transformateur élévateur de haute puissance composant un convertisseur à résonance tel que décrit en relation avec la figure 2. Il est donc possible d'obtenir une commutation rapide des interrupteurs fonction des impulsions du générateur 104. Sur la figure 4, on a illustré un second mode de réalisation particulier de l'architecture de la figure 1. Dans ce mode de réalisation, les circuits de stockage capacitifs et de commutation 46, 48 sont distribués en une pluralité d'étages de stockage capacitifs et de commutation 204-206 connectés en série. Chacun de ces étages 204-206 est formé d'un condensateur 208-214 dont les bornes forment la sortie de l'étage, de deux impédances 216-228, connectées chacune à une borne du condensateur respectivement et dont les bornes libres forment l'entrée de l'étage, et d'un interrupteur 232-238 piloté par le circuit de pilotage 52. L'interrupteur pilotable 232-238 est connecté à l'une des bornes du condensateur 208-214 et à l'une des bornes des deux impédances 216-228 qui n'est pas connectée au condensateur 208-214, comme cela est illustré à la figure 4. Les interrupteurs 232-238 sont de préférence des transistors à commutation rapide comme par exemple des transistors MOSFET ou IGBT, ou des transistors à avalanche. Le circuit d'alimentation 10 du second mode de réalisation comporte optionnellement un 25 étage de stockage capacitif 240 formé d'un circuit R-C. La tension en sortie du circuit de conversion 16, par exemple formé d'un unique convertisseur à résonance tel que décrit en relation avec la figure 2, alimente donc les étages successifs 204-206. Les condensateurs 208-214 sont ainsi chargés en parallèle à la tension de sortie du circuit 30 16 lorsque les interrupteurs 232-238 sont dans leur état ouvert. Pour l'alimentation du réacteur de plasma 12, les condensateurs 208-214 sont déchargés en série par la commande des interrupteurs 232-238. De préférence, cette commande est séquentielle de manière à réduire des oscillations parasites. Le second mode de réalisation du circuit d'alimentation fonctionne ainsi de manière analogue à un générateur de type Marx, bien connu en soi, à la différence que les commutateurs du 35 -8- circuit d'alimentation de ce mode de réalisation sont du type à semi-conducteur alors que le générateur du type Marx comporte classiquement des éclateurs ou des thyratrons. Les fronts de montée des impulsions sont très raides et peuvent être de l'ordre d'une dizaine de nanosecondes, et la tension aux bornes du réacteur de plasma 12 est sensiblement égale à N fois la tension en sortie du circuit de conversion 16, où N est le nombre d'étages successifs 200-206. A l'aide des circuits d'alimentation 10 venant d'être décrits, il est ainsi possible d'obtenir un train d'impulsions d'alimentation du réacteur de plasma 12 d'amplitude d'une dizaine ou d'une centaine de kilovolts, de fréquence de plusieurs dizaines de kilohertz avec un temps de montée des impulsions de quelques nanosecondes. De préférence, un câblage utilisé pour connecter des différents composants venant d'être décrits est du type coaxial pour réduire l'inductance de ce câblage et encore réduire le temps de montée des impulsions générées. Sur la figure 5, on a illustré un système d'alimentation du réacteur de plasma 12 comprenant deux circuits d'alimentation 300, 302 analogues à celui décrit en relation avec la figure 3 ou celui décrit en relation avec la figure 4. Ces deux circuits 300, 302 sont couplés de manière à générer des impulsions 304, 306 de polarités opposées et ainsi produire des trains d'impulsions bipolaires. De manière avantageuse, les impulsions positives sont appliquées sur l'une des deux électrodes du réacteur et les impulsions négatives sont appliquées sur l'autre borne du réacteur, de manière à avoir une tension d'amplitude double aux bornes des électrodes. A titre d'exemple, si les circuits 300, 302 génèrent des impulsions de 5 kilovolts mais de polarités inverses, la tension aux bornes du réacteur est alors de 10 kilovolts. Bien entendu, d'autres modes de réalisation sont possibles. En variante, le circuit de commutation comporte un commutateur à gaz du type éclateur, thyratron, électrode à étincelles ou autre, comme par exemple un commutateur à hydrogène pressurisé qui permet d'obtenir des temps de montée d'une centaine de picosecondes. Ce type de commutateurs présente l'avantage de produire des impulsions de temps de montée réduit par rapport à des commutateurs à semi-conducteurs mais sont plus encombrants et plus fragiles que ces derniers. -9- De même, en variante le circuit de commutation comporte de photoconducteur à déclenchement par source laser. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation électrique d'un réacteur de plasma (12) d'un véhicule automobile, du type comprenant des moyens (16) de conversion d'une tension délivrée par une source de basse tension continue (14) équipant le véhicule en une haute tension continue, caractérisé en ce qu'il comporte : ^ des moyens (46) capacitifs de stockage d'énergie connectés en sortie des moyens (16) de conversion et aptes à stocker de l'énergie à la haute tension ; et ^ des moyens (48) formant commutateur pilotable, agencés en sortie des moyens (46) capacitifs de stockage et aptes à commander une charge des moyens (46) capacitifs depuis les moyens (16) de conversion lorsqu'ils sont dans un état ouvert et une décharge des moyens (46) capacitifs de stockage vers ledit réacteur de plasma (12) lorsqu'ils sont dans un état fermé. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens capacitifs de stockage comprennent au moins un condensateur (60 ; 208-214) connecté en parallèle en sortie des moyens (16) de conversion. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens (48) formant commutateur comprennent des commutateurs à semi-conducteur (64-72) agencés en série et pilotables simultanément. 25 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les commutateurs à semi-conducteur (64-72) comprennent chacun un transistor (74-82) agencé pour fonctionner dans une zone d'avalanche. 5. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens (46) 30 capacitifs de stockage et les moyens (48) formant commutateur sont agencées de manière à former au moins deux étages (200-206) de stockage capacitifs et de commutation successifs, chacun des au moins deux étages (200-206) étant aptes à stocker de manière capacitive de l'énergie à la haute tension et à être déchargé de manière indépendante des autres étages.20-11- 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacun des aux moins deux étages (200-206) comporte un condensateur (208-214) apte à être chargé en parallèle de en sortie des moyens (16) de conversion et un commutateur pilotable (232-238) associé à celui-ci et apte à charger le condensateur lorsqu'il est donc un état fermé et à décharger le condensateur lorsqu'il est dans son état ouvert. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (48) formant commutateur comprennent des commutateurs à transistor MOSFET et/ou IGBT et/ou des commutateurs à transistor à avalanche. 8. Système d'alimentation électrique d'un réacteur de plasma d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux dispositifs conformes à l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que les aux moins deux dispositifs présentent des polarités opposées.15