Brevet FR2927482A1 — publié le 20090814

B07-2854FR Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Dispositif de génération de haute tension. Invention de : BARROSO Paulo NOUVEL Clément Dispositif de génération de haute tension. L'invention concerne les dispositifs de génération de haute tension, et plus particulièrement la réduction de la tension en sortie du transistor de commutation compris dans de tels dispositifs. L'invention s'applique avantageusement mais non limitativement à la génération de plasma dans un gaz, utilisant de tels dispositif de génération de haute tension, et notamment la génération de plasma par les électrodes d'une bougie, utilisée pour l'allumage commandé d'un moteur à combustion interne. Le principe de la bougie résonante réside dans l'utilisation d'un ensemble résonant bobine-condensateur, ce dernier étant constitué par deux électrodes (dont l'une comporte le culot) séparées par un matériau diélectrique, tel que de la céramique. Ce résonateur haute fréquence est appelé généralement � bobine-bougie �. Ce résonateur est alimenté par un générateur de tension apte à délivrer un train d'impulsions de tension au résonateur en réponse à un train d'impulsions de commandes haute fréquence reçu sur l'électrode de commande du transistor de commutation du générateur impulsionnel de tension. Plus précisément, ce générateur impulsionnel comprend, outre le transistor de commutation commandé par le train haute fréquence d'impulsions de commande, un ensemble bobine-condensateur reliés en parallèle et alimentés par une moyenne tension. La combinaison de ce générateur de tension impulsionnelle et du résonateur inductif capacitif série (� bobine-bougie �) constitue un dispositif de génération de haute tension et est couramment appelée par l'homme du métier � amplificateur pseudo classe E �. Comme indiqué ci-avant, la commande du transistor de commutation s'effectue par une tension haute fréquence (train d'impulsions de commande) appliquée sur la grille du transistor. Lorsque le transistor est passant, un courant circule dans la bobine tandis que lorsque le transistor est bloqué, le courant charge d'une part le condensateur et d'autre part alimente la bobine du résonateur série. Le potentiel de drain du transistor s'élève. Cette tension élevée alimente périodiquement le résonateur série (bobine-bougie) qui, grâce à un facteur de qualité important, crée la haute tension capable de déclencher les étincelles. De tels générateurs sont décrits dans les demandes de brevet FR 03-10766, FR 03-10767 et FR 03-10768. Les amplificateurs pseudo classe E peuvent être également appliqués aux dispositifs à injection ultrasonore. L'excitation ultrasonore des injecteurs piézo-électriques requiert la génération d'une haute tension comprise entre 200 et 1800V crête à crête et modulée entre 25 et 50 kHz. Quelle que soit l'application visée, un amplificateur pseudo classe E nécessite un transistor de commande pouvant supporter les niveaux de puissance et de tension requis, réduisant considérablement la diversité des composants disponibles. Un but de l'invention est de proposer une solution qui permettent de réduire la tension délivrée en sortie du transistor de puissance tout en maintenant une tension suffisante aux bornes du résonateur série. Selon un aspect de l'invention, on définit un dispositif de génération de haute tension, comprenant un résonateur inductif capacitif apte à amplifier une haute tension, des moyens de génération d'un train d'impulsions de commande haute fréquence, une source de tension, un condensateur et un générateur de tension comprenant un transistor de commutation dont l'électrode de commande est reliée à la sortie des moyens de génération du train d'impulsions de commande haute fréquence, la source du transistor de commutation étant reliée à une masse, le drain du transistor de commutation étant apte à délivrer un train d'impulsions de tension au résonateur inductif capacitif en réponse au train d'impulsions de commande reçues sur l'électrode de commande du transistor de commutation. Le drain du transistor de commutation est relié au résonateur inductif capacitif par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolation, le transformateur d'isolement étant relié en parallèle avec un condensateur, le transformateur d'isolement étant par ailleurs relié à la source de tension. L'enroulement primaire du transformateur d'isolation peut être connecté par une borne au drain du transistor de commande et par une autre borne à la source de tension, l'enroulement primaire du transformateur d'isolement étant relié en parallèle avec le condensateur. L'enroulement secondaire du transformateur d'isolement peut être relié par une borne au résonateur inductif capacitif et par une autre borne à une masse, ladite masse étant également reliée au résonateur inductif capacitif. Le dispositif de génération de haute tension peut comprendre une isolation galvanique isolant l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire, les composants et masse reliés à un enroulement étant isolés des composants et masse reliés à l'autre enroulement par ladite isolation galvanique. La masse présente dans le circuit relié à l'enroulement secondaire peut être distincte et isolée de la masse présente dans le circuit relié à l'enroulement primaire. Les moyens de génération du train d'impulsions de commande peuvent comprendre un oscillateur à fréquence fixe. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels la figure unique illustre un exemple de réalisation électronique d'un dispositif selon l'invention. Comme illustré sur la figure unique, le générateur impulsionnel de tension GENI comporte un ensemble transformateur TRANS et condensateur Cl reliés en parallèle, ainsi qu'un transistor de commutation Ml, formé ici d'un transistor MOSFET de puissance à canal N, commandé sur sa grille G par un train d'impulsions de commande générées ici par un oscillateur à fréquence fixe OSC. Cette fréquence est une haute fréquence, typiquement de l'ordre de quelques MHz et supérieure à 1 MHz. Le transformateur TRANS comprend un enroulement primaire à N1 spires et un enroulement secondaire à N2 spires. Une borne de l'enroulement secondaire est reliée à une première borne du résonateur inductif capacitif RS2 modélisé par une résistance R2, une inductance L2 et une capacité C2. L'autre borne du résonateur série RS2 est reliée d'une part à une masse, d'autre part à une résistance R3 reliée à l'autre borne de l'enroulement secondaire. La résistance R1 peut être soit la modélisation du comportement résistif du câblage reliant la seconde borne de l'enroulement secondaire à la masse, soit un composant physique dont le rôle consiste à mesurer le courant circulant dans le résonateur série RS2. Dans ce dernier cas, la valeur résistive de ce composant sera choisie très faible devant la valeur de R2, dans le résonateur RS2, afin de ne pas dégrader les performances (facteur de surtension) du résonateur RS2 et de ne pas occasionner un échauffement excessif du composant. Une isolation galvanique IG sépare les deux enroulements du transformateur TRANS. L'isolation galvanique IG sépare également d'un coté les composants reliés à l'enroulement primaire et d'un autre coté les composants reliés à l'enroulement secondaire. Le résonateur série RS2, également appelé résonateur inductif capacitif peut être compris dans une bougie de génération de plasma ou dans un injecteur piézoélectrique ou ultrasonique. La fréquence propre du résonateur série formé par l'inductance L2 et la capacité C2 présente également une fréquence de résonance élevée, par exemple supérieure à 1MHz, avec un facteur de surtension compris par exemple entre 40 et 200. Le générateur impulsionnel GENI est alimenté par une source de tension continue VMT délivrant une moyenne tension, typiquement inférieure à 1 000 volts. Par ailleurs, cette source de tension VMT présente de préférence une puissance limitée de façon à ce que l'énergie appliquée entre les électrodes de la bougie soit également limitée, par exemple à 300 mJ par allumage et pour des raisons de sécurité. Pour générer des tensions continues supérieures à 12 volt dans une application automobile, on peut utiliser un convertisseur 12 volt vers Y volt Y étant la tension fournie par l'alimentation VMT. On peut ainsi générer le niveau de tension continue souhaitée à partir d'une tension de batterie. La stabilité de la tension continue générée n'étant a priori pas un critère déterminant, on peut à titre d'exemple, prévoir d'utiliser une alimentation à découpage pour alimenter le générateur GENI, pour ses qualités de robustesse et de simplicité. Lorsque le transistor Ml est passant, un courant circule dans la bobine L1. Lorsque le transistor Ml est bloqué le courant charge d'une part le condensateur Cl et alimente la bobine L2. Le potentiel de drain D du transistor Ml s'élève. Cette tension élevée, typiquement de l'ordre de plusieurs centaines de volts alimente périodiquement le résonateur série RS2, qui grâce à un facteur de surtension important, crée la haute tension HT capable de déclencher les étincelles. Grâce à la présence du transformateur, la tension au bornes de l'enroulement primaire, et donc à la sortie du transistor de puissance peut être réduite. En effet, le rapport de transformation M est égal au rapport du nombre de spire des enroulements primaire N1 et secondaire N2, lui-même égal au rapport des tensions des enroulements primaire U1 et secondaire U2 : M=N2 =U2 N1 U1 Ainsi, si on désire obtenir une tension U1 aux bornes du résonateur série RS2, c'est-à-dire aux bornes de l'enroulement secondaire N2, il suffit d'obtenir une tension U2 aux bornes de l'enroulement primaire N1 égale : U 1 U2 = M La construction et les technologies employées pour réaliser le transformateur sont également deux aspects essentiels pour le bon fonctionnement de l'amplificateur pseudo classe E. L'utilisation d'un transformateur à air est préférable vu les fréquences mises en jeu. Des solutions alternatives peuvent être utilisées, mais le rendement de conversion peut alors être plus faible. Le bobinage est réalisé de préférence avec du fil coaxial blindé avec tresse de masse afin de limiter les perturbations haute fréquence. Dans le cas de l'utilisation de l'amplificateur pseudo classe E pour l'injection ultrasonique, les contraintes de fabrication peuvent être réduites à fin de tenir compte des fréquences plus basses mises en jeu. Par ailleurs, il est à noter que l'utilisation d'un transformateur par rapport à une inductance génère plusieurs avantages notables. Par rapport aux applications à l'allumage radiofréquence tel que décrit dans les brevets français FR03-10766, FR03-10767, FR03-10768, l'utilisation d'un transformateur permet de faire l'économie d'un condensateur série situé entre la sortie de l'amplificateur pseudo classe E et la charge de la bougie multi-étincelles (BME), ainsi que du filtre en mode commun de type Balun. De plus, il est possible d'intégrer une mesure du courant d'ionisation, par exemple au niveau de la résistance R3. D'autre part, l'utilisation d'un transformateur à isolement permet de supprimer la composante continue du signal en entrée du résonateur série RS2, réduisant ainsi la tension maximale appliquée sur le câble tout en conservant l'amplitude du signal. I1 en découle que les contraintes pesant sur l'isolation du câble sont moins strictes que dans le cas d'un amplificateur pseudo classe E sans transformateur. La gamme de câbles utilisables est alors plus grande. En terme de sécurité de fonctionnement, un amplificateur pseudo classe E avec transformateur permet d'isoler la capacité Cl et l'alimentation des câbles de connexion au résonateur série RS2. Ainsi, un court-circuit au niveau de ces câbles ou entre un de ces câbles et la masse ne pourra pas créer de choc électrique. Enfin, l'utilisation d'un transformateur permet de réduire les perturbations électromagnétiques émises, notamment en courant de mode commun. En effet, la masse du résonateur série RS2 étant découplée de la masse du transistor Ml, les perturbations électromagnétiques émises lors de la génération de l'étincelle d'allumage ou lors de la génération ultrasonore ne peuvent être guidées vers le transistor Ml et l'électronique de commande par l'intermédiaire d'une masse commune. Cela est d'autant plus vrai que les câbles de connexion comprennent une tresse de masse et un blindage moulé dans la gaine. Pour un isolement accru, une extrémité ou les deux extrémités de la tresse de masse peuvent être connectées, le retour du courant à travers R3 étant assuré par un autre conducteur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de génération de haute tension, comprenant un résonateur inductif capacitif (RS2) apte à amplifier une haute tension, des moyens de génération d'un train d'impulsions de commande haute fréquence, une source de tension (VMT), un condensateur (Cl) et un générateur de tension (GENI) comprenant un transistor de commutation (Ml) dont l'électrode de commande (G) est reliée à la sortie des moyens de génération du train d'impulsions de commande haute fréquence, la source (S) du transistor de commutation (Ml) étant reliée à une masse, le drain (D) du transistor de commutation (Ml) étant apte à délivrer un train d'impulsions de tension au résonateur inductif capacitif (RS2) en réponse au train d'impulsions de commande reçues sur l'électrode de commande (G) du transistor de commutation (Ml), caractérisé par le fait que le drain (D) du transistor de commutation (Ml) est relié au résonateur inductif capacitif (RS2) par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolation (TRANS), le transformateur d'isolement (TRANS) étant relié en parallèle avec un condensateur (Cl), le transformateur d'isolement (TRANS) étant par ailleurs relié à la source de tension (VMT). 2. Dispositif de génération de haute tension selon la revendication 1, dans lequel l'enroulement primaire (N l) du transformateur d'isolation (TRANS) est connecté par une borne au drain (D) du transistor de commande (M1) et par une autre borne à la source de tension (VMT), l'enroulement primaire (Nl) du transformateur d'isolement (TRANS) étant relié en parallèle avec le condensateur (Cl). 3. Dispositif de génération de haute tension selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'enroulement secondaire (N2) du transformateur d'isolement (TRANS) est relié par une borne au résonateur inductif capacitif (RS2) et par une autre borne à une masse, ladite masse étant également reliée au résonateur inductif capacitif (RS2). 4. Dispositif de génération de haute tension selon l'une des revendications précédentes, comprenant une isolation galvanique (IG)isolant l'enroulement primaire (N l) et l'enroulement secondaire (N2), les composants et masse reliés à un enroulement étant isolés des composants et masse reliés à l'autre enroulement par ladite isolation galvanique (IG). 5. Dispositif de génération de haute tension selon la revendication 4, dans lequel la masse présente dans le circuit relié à l'enroulement secondaire (N2) est distincte et isolée de la masse présente dans le circuit relié à l'enroulement primaire (NU. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de génération du train d'impulsions de commande comprennent un oscillateur à fréquence fixe (OSC). 7. Utilisation d'un dispositif de génération de haute tension selon l'une des revendications 1 à 6, pour l'allumage commandé dans un moteur à combustion interne.15