Brevet FR2934942A1 — publié le 20100212

CONTROLE DE LA FREQUENCE D'EXCITATION D'UNE BOUGIE RADIOFREQUENCE La présente invention concerne le domaine de l'alimentation radiofréquence de résonateurs, en particulier de résonateurs utilisés dans des générateurs de plasma. Pour une application à l'allumage automobile à génération de plasma, des résonateurs dont la fréquence de résonance est supérieure à 1 MHz sont disposés au niveau de la bougie et sont typiquement alimentés à haute tension (par exemple supérieures à 100 V) et soumis à de forts courants (par exemple une intensité supérieure à 10A). Le fonctionnement de l'alimentation haute tension radiofréquence de la bougie est basé sur le phénomène de résonance série dans le résonateur, dont la fréquence de résonance est déterminée par la valeur des paramètres intrinsèques du circuit constituant le résonateur. La figure 1 illustre un système d'allumage radiofréquence résonant de l'état de la technique. Le résonateur 10 de génération de plasma, modélisant la bougie radiofréquence, comprend en série une résistance Rs, une inductance LS et une capacité Cs, dont les valeurs sont figées lors de la réalisation par la géométrie et la nature des matériaux utilisés, de manière à ce que le résonateur présente une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz. Le résonateur 10 est connecté à une sortie d'un circuit d'alimentation 20, présentant un transistor MOSFET de puissance M faisant office d'interrupteur, pour appliquer une tension intermédiaire Vinter sur la sortie du circuit d'alimentation, à une fréquence définie par un signal de commande V1 appliqué sur la grille du MOSFET par l'intermédiaire d'un module de commande 30. La tension intermédiaire Vinter est par exemple délivrée sur la sortie du circuit d'alimentation à la fréquence définie par le signal de commande, par l'intermédiaire d'un circuit résonant parallèle comprenant une capacité Cp en parallèle avec une bobine LM formant l'enroulement primaire d'un transformateur T, le résonateur 10 étant connecté aux bornes de l'enroulement secondaire LP du transformateur. Ainsi, le module de commande 30 fournit le signal de commande V1, permettant de contrôler à une fréquence sensiblement égale à la fréquence de résonance du résonateur de génération de plasma, par exemple autour de 5 MHz, les commutations du transistor M délivrant au résonateur parallèle 21 la tension Vinter, typiquement comprise entre 12V et 250v, qui va alors être amplifiée. A la fréquence de commande appliquée, il se crée un échange d'énergie entre le résonateur parallèle et le résonateur 10 de la bougie radiofréquence, permettant d'atteindre en sortie du résonateur 10 la tension de seuil de claquage à la température et la pression du milieu dans lequel on souhaite produire l'étincelle. La fréquence de commande est donc choisie comme étant la fréquence de résonance du résonateur de génération de plasma 10. Or, la formation de l'étincelle à la sortie du résonateur, vient perturber et désaccorder le système. En effet, une étincelle dans un gaz, comme tout conducteur électrique, est caractérisée par une capacité. Dès lors, si sans étincelle, ce sont les seuls paramètres Rs, LS et Cs, propres au résonateur 10, qui déterminent la fréquence de résonance du système, ce n'est plus le cas lors de la formation d'une étincelle, les caractéristiques propres à cette dernière venant en effet modifier la fréquence de résonance. La différence entre la fréquence de résonance effective du résonateur avec une étincelle formée et la fréquence de commande de l'alimentation radiofréquence de la bougie, choisie comme étant la fréquence de résonance à vide de la bougie (fo), c'est-à-dire réglée pour un système sans étincelle, entraîne alors une dégradation du facteur de qualité du résonateur (ou facteur de surtension, définissant le rapport entre l'amplitude de sa tension de sortie et sa tension d'entrée en fonction de la fréquence appliquée au résonateur). Aussi, il apparaît utile de pouvoir réajuster la fréquence de commande de l'alimentation radiofréquence en temps réel à l'intérieur d'un train d'excitation du résonateur, afin de maintenir l'amplitude de la tension à la pointe de la bougie et donc, les propriétés de l'étincelle telles que sa taille et le degré de sa ramification. La présente invention vise à répondre à cet objectif, sans diminution de l'efficacité du système. Avec cet objectif en vue, l'invention concerne donc un dispositif de génération de plasma radiofréquence, comprenant : -un module de commande générant un signal de commande à une fréquence de commande, -un circuit d'alimentation comprenant un interrupteur commandé par le signal de commande, l'interrupteur appliquant un signal d'excitation sur une sortie du circuit d'alimentation à la fréquence définie par le signal de commande, -un résonateur présentant une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz, connecté à la sortie du circuit d'alimentation et adapté à générer une tension pour la fabrication d'une étincelle lorsqu'il est excité par le signal d'excitation, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle du module de commande, adaptés à modifier la fréquence du signal d'excitation du résonateur de manière synchrone avec le signal de commande, pendant l'application dudit signal d'excitation. De préférence, les moyens de contrôle sont adaptés à commander au moins un saut de fréquence du signal de commande d'une première valeur de fréquence à une deuxième valeur de fréquence, inférieure à ladite première valeur. Avantageusement, les moyens de contrôle sont adaptés à commander une durée de basculement du signal de commande vers la deuxième valeur de fréquence, comprise entre 80% et 120% de la durée d'une demi-période dudit signal à la première valeur de fréquence. De préférence, la première valeur de fréquence est 25 sensiblement égale à la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle. Avantageusement, la deuxième valeur de fréquence est comprise dans une plage comprise entre fo - (Af/2) et fo, fo étant égale à la fréquence de résonance du 30 résonateur sans étincelle et Af correspondant à la bande passante du résonateur. Selon un mode de réalisation, les moyens de contrôle sont adaptés à commander un saut de fréquence du signal de commande dans une phase transitoire du signal de tension généré par le résonateur, précédent une phase de stabilisation dudit signal. De préférence, les moyens de contrôle sont adaptés à commander un saut de fréquence du signal de commande, sensiblement au moment de la formation de l'étincelle. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens de contrôle du module de commande comprennent un oscillateur commandé en tension et des moyens de modulation de la tension de contrôle dudit oscillateur. L'invention concerne également un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de génération de plasma selon l'invention. L'invention concerne encore un procédé de commande d'une alimentation d'un allumage radiofréquence d'un moteur à combustion, dans lequel on applique un signal d'excitation en entrée d'un résonateur à une première fréquence définie par un signal de commande, ledit résonateur présentant une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz et étant apte à générer une tension pour la fabrication d'une étincelle lorsqu'il est excité par le signal d'excitation, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à modifier la fréquence du signal d'excitation pendant l'application de celui-ci, de manière synchrone avec le signal de commande. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un dispositif de génération de plasma radiofréquence de 5 l'état de la technique ; - la figure 2a représente deux chronogrammes en regard, respectivement du signal de commande en tension de l'interrupteur MOS de l'alimentation radiofréquence et du signal du courant d'excitation en entrée du résonateur 10 de la bougie radiofréquence, dans le cas d'un changement de fréquence du signal de commande non synchronisé avec le signal d'excitation, au cours d'une commande d'allumage de la bougie ; - la figure 2b reprend les chronogrammes de la 15 figure précédente, dans le cas d'un changement de fréquence du signal de commande, synchronisé avec le signal d'excitation, selon le principe de l'invention; - la figure 3 illustre le signal de tension U(t) du résonateur en fonction du temps pendant une commande 20 de génération de plasma, c'est-à-dire le signal qui s'applique aux bornes de la capacité cs du résonateur de génération de plasma; - la figure 4 illustre un mode de réalisation des moyens de contrôle fréquentiel synchrone du signal de 25 commande de l'alimentation radiofréquence. L'optimisation du développement de l'étincelle de la bougie radiofréquence nécessite de parvenir à rattraper une partie du désaccord du système dû à la formation de l'étincelle, pour s'approcher au mieux des 30 nouvelles conditions de résonance de l'ensemble. L'invention propose pour ce faire de modifier en temps réel la fréquence du signal de commande V1 de l'interrupteur M, commandant l'application du signal d'excitation V2 du résonateur 10 de la bougie radiofréquence en sortie du circuit d'alimentation 20, pendant l'application de ce signal d'excitation. Un mode de réalisation consiste à modifier la fréquence de commande durant un train d'excitation, selon un décalage brutal de la fréquence, imposé sensiblement au moment de la formation de l'étincelle (juste avant ou juste après l'établissement de l'étincelle). De préférence, ce décalage fréquentiel consiste à diminuer la fréquence du signal de commande de l'alimentation, d'une première valeur de fréquence, fixée au démarrage de la commande d'allumage et correspondant typiquement à la fréquence fo de résonance à vide du système, à une deuxième valeur de fréquence, comprise de préférence entre fo - (Af/2) et fo, avec Af correspondant à la bande passante d'un circuit RLC, en l'occurrence celui formant le résonateur 10. A titre d'exemple, dans la présente application, Af/2 peut prendre une valeur sensiblement égale à 100 kHz. La figure 3 illustre un exemple de l'enveloppe de tension du signal U(t) pris aux bornes de la capacité Cs du résonateur pour un profil de commande tel que décrit ci-dessus, i.e. avec une première valeur de fréquence fo conservée jusqu'au maximum de la tension atteint pour l'instant tmax de la commande, correspondant au moment de formation de l'étincelle, et une deuxième valeur de fréquence diminuée brutalement à fo - 50 kHz par rapport à la première valeur de fréquence, après l'instant tmax. En effet, selon l'exemple donné ci-dessus, la capacité équivalente que va apporter l'étincelle ne va généralement pas impliquer une diminution de la fréquence de résonance de l'ensemble résonateur/étincelle de plus de 100 kHz par rapport à fo. Un tel profil de commande permet avantageusement de conserver l'amplitude maximale de la tension appliquée aux bornes de la capacité Cs du résonateur au moment tmax de formation de l'étincelle, et rend en outre plus faible et progressif la chute de tension après le passage du point de maximum de tension à tmax par rapport au cas classique sans contrôle fréquentiel de la commande durant l'application du signal d'excitation du résonateur. Une telle modification de la fréquence de commande durant l'application du signal d'excitation du résonateur de la bougie radiofréquence, procure donc une réelle amélioration des caractéristiques de l'étincelle, en permettant de s'approcher au mieux des nouvelles conditions de résonance de l'ensemble et, par conséquent, rend l'allumage plus efficace. Ainsi, lorsque la fréquence du signal de commande de l'alimentation est brutalement décalée selon les principes évoqués ci-dessus, on passe avantageusement d'un système parfaitement accordé, au moment du déclenchement de la commande de génération de plasma, à un système "pas tout à fait" désaccordé, au moment de la formation de l'étincelle, dans la mesure où on provoque une diminution de la fréquence d'excitation permettant de tenir compte de la formation de l'étincelle pour adapter la commande du résonateur de la bougie aux nouvelles conditions de résonance. Toutefois, un paramètre essentiel à respecter pour un contrôle fréquentiel optimal selon l'invention de l'alimentation radiofréquence de la bougie, est la synchronisation du changement de fréquence du signal de commande de l'alimentation avec le signal d'excitation du résonateur de la bougie appliqué en sortie du circuit d'alimentation. La figure 2a illustre un chronogramme du signal de commande V1 de l'alimentation radiofréquence de la bougie, auquel est imposé un changement de fréquence pendant l'application du signal d'excitation V2 du résonateur de la bougie radiofréquence, dont le chronogramme est également représenté en regard du chronogramme de V1. La figure 2a présente un cas où ce changement de fréquence du signal V1 n'est pas synchronisé avec le signal d'excitation V2. Comme illustré à la figure 2a, le signal d'excitation V2 du résonateur de la bougie radiofréquence est, dans une première partie de la commande d'allumage, commandé à la fréquence fo de résonance à vide du système, définie par le signal de commande V1. A un moment donné de la commande d'allumage, correspondant de préférence au moment de la formation de l'étincelle, ou juste avant ou juste après, on commande donc un changement de la fréquence du signal de commande V1, correspondant à un saut de fréquence de la fréquence initiale fo vers une fréquence f1r -choisie, comme expliqué plus haut, dans une plage de fréquence comprise entre fo et fo - (Of/2). La nouvelle valeur de fréquence de commande f1 est par exemple choisie entre fo et fo - 100 kHz. Le signal de commande V1 passe alors par une phase de basculement de durée tb, dans laquelle il est dans un état bas, précédent l'application de la nouvelle fréquence f1. Comme illustré sur la figure 2a, la durée tb de basculement du signal de commande V1 vers la nouvelle fréquence f1 , n'est pas calée sur la durée d'une demi-période du signal V1 avant le changement de fréquence, c'est-à-dire correspondant à une demi-période du signal à la fréquence fo selon l'exemple. La modification de la fréquence du signal d'excitation V2 qui en découle n'est donc pas synchronisée sur la durée tb de basculement du signal de commande V1 vers la nouvelle fréquence de commande f1. Le signal de commande V1 n'est alors plus en phase avec les oscillations du signal d'excitation V2 au moment de l'application de la nouvelle fréquence f1 . Il résulte de cette situation que l'amplitude du signal d'excitation V2 décroît au moment du changement de fréquence, et ne remonte que progressivement en se réajustant avec la nouvelle fréquence de commande f1 , comme illustrée par le chronogramme de V2 de la figure 2a. Ainsi, suite aux pertes pendant la transition, l'efficacité du système est diminuée. De plus, il y a des risques pour l'électronique de puissance de commande et, en particulier, pour l'interrupteur MOS forcé au changement d'état au moment du passage d'un courant important. En effet, la commutation non synchronisée du transistor de puissance va induire des commutations qui ne seront plus à zéro tension ou zéro courant, ce qui conduit à des risques pour le transistor. La figure 2b, reprenant les mêmes chronogrammes que la figure 2a, illustre alors le cas prévu par la présente invention, où la modification de la fréquence du signal d'excitation V2 est avantageusement réalisée de manière synchrone avec la durée tb de basculement du signal de commande V1 vers la nouvelle fréquence de commande f1.. Dans ce cas où l'on synchronise le changement de fréquence du signal d'excitation avec le signal de commande, on créé une situation où le signal de commande est continuellement en phase avec les oscillations du signal d'excitation, y compris au moment du changement de fréquence. Il n'y a donc plus de perte de résonance et il est alors possible de garder le maximum de tension, tout en ralentissant la chute de tension après le passage du point de maximum de tension, correspondant à la formation de l'étincelle à l'instant tmax de la commande d'allumage (cf. figure 3). Un tel contrôle fréquentiel synchrone du résonateur, permet de maintenir le facteur de qualité maximal de la bougie radiofréquence, quel que soit le régime de son fonctionnement et donc de préserver les caractéristiques de l'étincelle. Il est possible en outre d'opérer plusieurs changements brusque de fréquence du signal de commande durant l'application d'un même signal d'excitation du résonateur de la bougie radiofréquence. Comme on l'a vu, tout changement de fréquence du signal d'excitation du résonateur de la bougie radiofréquence doit se faire en synchronisme avec le signal de commande. Pour ce faire, la durée de basculement tb, par laquelle passe le signal de commande V1 avant application de la nouvelle fréquence de commande, doit de préférence être commandée pour être sensiblement égale à la durée d'une demi-période du signal de commande avant application du changement de fréquence. Une certaine tolérance est cependant possible pour la commande de la durée tb de basculement du signal de commande vers la nouvelle fréquence de commande. Ainsi, il a été validé que, de manière générale, pour tout changement de fréquence impliquant un saut de fréquence d'une première fréquence f, pouvant être fo, à une seconde fréquence f1, typiquement comprise entre fo - (Of/2) et fo, la durée tb de basculement du signal de commande avant application de la nouvelle fréquence doit respecter : 0.8x 1 En outre, pour un gain optimum sur l'amplitude de la tension U(t) générée par le résonateur de la bougie radiofréquence, un changement de fréquence du signal de commande V1 doit être réalisé dans une phase transitoire (référencée phase 1 à la figure 3) du signal de tension U(t) du résonateur. Cette phase transitoire du signal U(t) précède une phase de stabilisation de ce signal (référencée phase 2), sachant qu'un gain maximum est obtenu lorsque le changement de fréquence se produit sensiblement au moment de la formation de l'étincelle, c'est-à-dire à l'instant tmax. La réalisation de sauts de fréquence avec les caractéristiques propres à l'invention décrites ci-dessus nécessitent, pour les applications embarquées d'utiliser pour ce faire des microprocesseurs hautes fréquences ou des composants logiques temps réels tels que les FPGA (Field Programmable Gate Array) ou encore des ASIC (Application Specific Integrated Circuit). La figure 4 illustre un exemple de réalisation de moyens de contrôle fréquentiels selon l'invention du module de commande fournissant le signal de commande V1 de l'alimentation radiofréquence. Ces moyens de contrôle sont donc adaptés à décaler la fréquence du signal de commande de l'alimentation, d'une fréquence initiale de commande vers une nouvelle fréquence de commande, de sorte que le changement de fréquence du signal d'excitation du résonateur qui en découle soit synchronisé avec le signal de commande. De cette manière, le signal de commande reste en phase avec les oscillations du signal d'excitation du résonateur, pendant toute l'application du signal d'excitation. Selon l'exemple de la figure 4, les moyens de contrôle comprennent un oscillateur commandé en tension VCO 40, dont la sortie est connectée au module de commande 30 pour fournir le signal de commande V1, et dont une entrée de contrôle 41 est connectée à une source de tension de contrôle 50, adaptée à piloter le VCO par une modulation de la tension de contrôle propre à commander un changement de la fréquence du signal de commande fourni sur la grille du transistor M. Ainsi, l'optimisation du développement de l'étincelle de la bougie radiofréquence selon l'invention nécessite de parvenir à rattraper une partie du désaccord du système d'alimentation, en commandant un changement de fréquence en temps réel à l'intérieur d'un train d'excitation de la bougie, en respectant la condition de synchronisation de ce changement avec le signal de commande. Ce mode de contrôle fréquentiel synchrone en temps réel peut être étendu à tout type d'application utilisant un système résonant à première approximation de type LC ou RLC, dont les paramètres intrinsèques évoluent au cours du temps, sous un quelconque effet physique (telle que la fabrication d'une étincelle par exemple), modifiant ainsi sa fréquence de résonance initiale fo (l'augmentant ou la diminuant). Dans ces conditions, la modification de la fréquence d'excitation du système résonant doit être synchronisée, selon la description précédente en relation avec l'application d'allumage automobile à génération de plasma, sur le temps tb de basculement du signal de commande vers une nouvelle valeur de fréquence de commande, définissant la nouvelle fréquence d'excitation. La nouvelle fréquence d'excitation doit en outre se situer entre fo et fo +/- (Af/2) (selon que la fréquence de résonance a augmenté ou diminué), Af correspondant à la bande passante du système résonant. Le changement de fréquence de résonance du système résonant peut être détecté en temps réel en mesurant une grandeur caractéristique du système résonant, comme par exemple le facteur de qualité. La modification de la fréquence d'excitation du système doit de préférence être opérée dès que l'on détecte une variation de la fréquence de résonance supérieure à 10% de la bande passante Af. REVENDICATIONS1. Dispositif de génération de plasma radiofréquence, comprenant : -un module de commande (30) générant un signal de commande (V1) à une fréquence de commande, - un circuit d'alimentation (20) comprenant un interrupteur (M) commandé par le signal de commande, l'interrupteur appliquant un signal d'excitation (V2) sur une sortie du circuit d'alimentation à la fréquence définie par le signal de commande, - un résonateur (10) présentant une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz, connecté à la sortie du circuit d'alimentation et adapté à générer une tension (U (t)) pour la fabrication d'une étincelle lorsqu'il est excité par le signal d'excitation, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (40, 50) de contrôle du module de commande (30), adaptés à modifier la fréquence du signal d'excitation du résonateur de manière synchrone avec le signal de commande, pendant l'application dudit signal d'excitation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de contrôle sont adaptés à commander au moins un saut de fréquence du signal de commande d'une première valeur de fréquence (fo) à une deuxième valeur de fréquence (f1), inférieure à ladite première valeur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de contrôle sont adaptésà commander une durée de basculement (tb) du signal de commande vers la deuxième valeur de fréquence, comprise entre 80% et 120% de la durée d'une demi-période dudit signal à la première valeur de fréquence. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la première valeur de fréquence est sensiblement égale à la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle. 10 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la deuxième valeur de fréquence est comprise dans une plage comprise entre fo - (Af/2) et fo, fo étant égale à la fréquence de 15 résonance du résonateur sans étincelle et Af correspondant à la bande passante du résonateur. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les moyens de 20 contrôle sont adaptés à commander un saut de fréquence du signal de commande dans une phase transitoire du signal de tension (U(t)) généré par le résonateur, précédent une phase de stabilisation dudit signal. 25 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les moyens de contrôle sont adaptés à commander un saut de fréquence du signal de commande, sensiblement au moment de la formation de l'étincelle. 30 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les5moyens de contrôle du module de commande comprennent un oscillateur commandé en tension (40) et des moyens (50) de modulation de la tension de contrôle dudit oscillateur. 9. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de génération de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10 10 Procédé de commande d'une alimentation d'un allumage radiofréquence d'un moteur à combustion, dans lequel on applique un signal d'excitation (V2) en entrée d'un résonateur (10) à une première fréquence définie par un signal de commande (V1), ledit résonateur présentant 15 une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz et étant apte à générer une tension (U(t)) pour la fabrication d'une étincelle lorsqu'il est excité par le signal d'excitation, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à modifier la fréquence du signal d'excitation 20 pendant l'application de celui-ci, de manière synchrone avec le signal de commande.5