Brevet FR2935566A1 — publié le 20100305

Dispositif de variation de la puissance électrique à appliquer à une charge. La présente invention concerne un dispositif de variation de la puissance électrique pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge, dispositif comportant : - deux premiers accès pour se connecter à une source de puissance électrique, - de deux deuxièmes accès auxquels se connecte la charge, - un système de commutation série relié à un desdits premiers accès muni d'une commande de commutation, - un système de commutation parallèle relié en sortie du système de commutation série et à l'autre premier accès, un générateur de commande d'ouverture/fermeture pour commander la coupure/l'ouverture desdits systèmes de commutation, Les dispositifs de ce genre trouvent d'importantes applications. Notamment dans le domaine de l'éclairage de scènes de spectacle. Des exigences surgissent en ce qui concerne le bruit que font les projecteurs. On souhaite que ce bruit soit réduit dans la plus large mesure possible afin que les spectateurs ne soient pas distraits par ces bruits intempestifs. Un tel dispositif est décrit dans le document de brevet du Canada 2 107 490 et aussi dans le document de brevet PCT WO 99/38248. Pour remédier aux impulsions qui surgissent à haut niveau, il est proposé des systèmes de commutation présentant plusieurs pôles de commutation qui peuvent être considérés comme étant trop nombreux. Ceci amène à une commande plutôt compliquée et des problèmes pour gérer leur synchronisme. Tout ceci crée des coûts élevés de ces dispositifs. Il est à noter que dans le document de brevet PCT WO 99/38248, les deux étages parallèles, qui alimentent la charge, sont synchronisés sur le courant qui traverse cette charge présentant souvent des comportements variables. La synchronisation en est altérée ce qui peut être dangereux pour le dispositif. L'invention propose un dispositif du genre mentionné dans le préambule qui ne présente pas les inconvénients de complications précités. Conformément à l'invention, le dispositif selon le préambule est remarquable en ce que les commandes de commutation sont reliées directement au générateur d'impulsions. Grâce à cette mesure préconisée par l'invention il est possible d'agir à grande vitesse (de l'ordre de 25 KHz) sur les commandes de commutation, ce qui provoque un bruit inaudible. Selon une caractéristique importante de l'invention, le dispositif mentionné dans le préambule est remarquable en ce qu'il comporte un circuit d'anticollision formé d'une inductance shuntée par une diode dans le trajet comprenant le transistor- interrupteur faisant partie du système de commutation série pour éviter l'enclenchement simultané desdits systèmes de commutation. On obtient ainsi l'avantage que l'on crée une protection des circuits lors des enclenchements simultanés des systèmes de commutation. La description suivante accompagnée des dessins ci-annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Dans les dessins, les figures représentent : la figure 1 montre un dispositif de variation de puissance électrique conforme à l'invention, les figures 2 et 3 sont des schémas explicitant le fonctionnement du dispositif de l'invention. Le dispositif 1 montré à la figure 1, comporte des bornes 10 et 11 sur lesquelles est connectée une source de puissance électrique 15. Une charge 18, par exemple un projecteur de salle de spectacle, est connectée aux bornes de sortie 20 et 21 de ce dispositif 1. Entre la borne 10 et la borne 20, est relié, via une bobine d'induction 25, un premier système de commutations 27 dit système de commutation série. Un autre système de commutation 30, dit système de commutation parallèle, est relié à la sortie du premier système de commutation. Les bornes 11 et 21 constituent la tension de référence pour le dispositif 1. Il est prévu également un condensateur de filtrage 32 aux bornes de sortie 20 et 21. Les systèmes de commutations 27 et 30 sont munis respectivement d'une commande d'ouverture/fermeture 35 et 36. Pour faire varier l'énergie à appliquer à la charge 18, il suffit de faire varier les temps d'ouverture et de fermeture des systèmes de commutations 27 et 30. Pour cela on utilise un générateur d'impulsions à largeur variable 40 manoeuvrable par l'utilisateur. La sortie de ce générateur est reliée directement à la commande 35 et à la commande 36 via un inverseur 45. Ainsi quand un système de commutation est ouvert l'autre est fermé et réciproquement. Le premier système de commutation 27 est formé d'un pont à diodes comportant les diodes 61, 62, 63 et 64. L'anode de la diode 61 est connectée à la cathode de la diode 64. De même l'anode de la diode 62 est reliée à la cathode de la diode 63. Les cathodes des diodes 61 et 62 sont connectées aux anodes des diodes 63 et 64 via un dispositif interrupteur 81 formé de préférence par un transistor de type MOSFET dont la grille constitue la commande 35. L'anode et la cathode des diodes 61 et 64 respectivement sont connectées à la borne 10. L'anode de la diode 62 et la cathode 63 sont connectées, d'une part, à l'inductance 25 et, d'autre part, au deuxième système de commutation 30. Ce second système de commutation 30 est formé aussi d'un pont à diodes comportant les diodes 71, 72, 73 et 74. Les anodes des diodes 71 et 74 sont interconnectées et les cathodes des diodes 72 et 73 sont aussi interconnectées. Ces points d'interconnexions sont reliés entre eux via un dispositif interrupteur 82 constitué, lui aussi, par un transistor de type MOSFET de préférence. L'anode de la diode 72 et la cathode de la diode 71 sont reliées à la sortie du premier système de commutation 27, tandis que l'anode de la diode 73 et la cathode de la diode 74 sont reliées aux bornes 11 et 21. Le dispositif 1 fonctionne de la manière suivante. On se reporte aux figures 2 et 3 qui montrent d'une façon schématique le dispositif de l'invention. Les éléments communs avec ceux explicités à la figure 1 portent les mêmes références. La figure 2 montre le cas où le système de commutation 27 est fermé et le système de commutation 30 est ouvert. Dans ce cas la source de tension branchée aux bornes 10 et 11 fournit de l'énergie à l'inductance 25, au condensateur 32 et à la charge 18. Ceci est montré par les flèches F1 et F2. La figure 3 montre le cas où le système de commutation 27 est ouvert et le système de commutation 30 est fermé. Dans ce cas, la source de tension ne fournit plus d'énergie à la charge et l'énergie accumulée notamment par l'inductance 25 et le condensateur 32 vont continuer d'alimenter la charge 18 (flèches F3 et F4) ; le système de commutation 30 en position fermée va fournir un trajet pour l'écoulement des énergies emmagasinées. On notera que les deux systèmes de commutation fonctionnent en synchronisme, ceci apporte une grande simplification des circuits. Le dispositif s'adapte à toutes sortes de tension fournies par des sources de puissance 15 alternative ou continue. Le générateur d'impulsions 40 détermine la tension de sortie qui peut être aussi alternative en fonction du gabarit des impulsions fournies. Une caractéristique importante de l'invention consiste à placer un circuit anticollision formé d'une inductance 90 shuntée par une diode 91 dans le trajet comprenant le dispositif-interrupteur 81 (voir fig.1). L'inductance 90 garantit la non saturation pendant 200 ns. Elle freine la montée du courant pendant la commutation. La diode 91 récupère l'énergie de l'inductance 90 lorsque le dispositif interrupteur 81 est en position ouverte. On notera aussi dans ce même trajet la présence d'une résistance 95 qui permet d'avoir une indication sur le courant qui traverse le dispositif 1 et de là qui traverse la charge 18. Il est à remarquer qu'aucun système de régulation de la tension de sortie n'a été prévu dû au fait de la grande stabilité qu'offre le dispositif de l'invention Le circuit utilise seulement deux pôles de commutation et est donc plus simple et économique. On notera les spécificités de l'invention suivantes : - Les composants (pôles de commutation) sont utilisés pendant les deux demi- alternances, ce qui garantit les mêmes caractéristiques de commutation pendant ces deux demi-alternances, et il n'y a donc pas création de composantes continues. Ceci est un avantage par rapport à une topologie à 3 pôles de commutation de l'art antérieur dans laquelle les pôles utilisés diffèrent dans les deux demi-alternances. Il y a donc forcément création de composantes continues. - La charge est alternativement connectée à deux impédances faibles au travers des systèmes de commutation 27 et 30. Cette connexion à des impédances faibles est donc répétitive, indépendante de l'entrée et de sa polarité et permanente. Il n'est donc pas nécessaire de détecter l'instant de passage par zéro du courant dans la charge (économie) ce qui rend la gradation indépendante du type de charge connectée - Il n'est donc pas nécessaire non plus de faire usage de plages mortes pendant le passage par zéro: la tension fournie à la charge est exempte de déformations autour du passage par zéro. - L'usage de MOSFET diminue la dissipation par rapport aux transistors bipolaires à grille isolée (IGBT, de l'anglais Insulated Gate Bipolar Transistor) usuellement utilisé dans l'art antérieur pour ce le genre d'application aux gradateurs de forte puissance.. - Le circuit anticollision (90, 91) de l'étage haut (système de commutation 27) protège le circuit lors des collisions (enclenchement simultané) entre étages des systèmes de commutation. - La symétrie des deux étages permet à l'étage bas (système de commutation 30) d'absorber l'énergie résiduelle de la charge reçue par l'étage haut, sans protections supplémentaires. REVENDICATIONS. 1 Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge, dispositif (1) comportant : - deux premiers accès (10, 11) pour se connecter à une source de puissance électrique (15), - de deux deuxièmes accès (20, 21) auxquels se connecte la charge (18), - un système de commutation série (27) relié à un desdits premiers accès (10), muni d'une commande de commutation (35), - un système de commutation parallèle (30) relié en sortie du système de commutation série (27) et à l'autre premier accès (11), muni d'une commande de commutation (36), - un générateur de commande d'ouverture/fermeture (40) pour commander la coupure/l'ouverture desdits systèmes de commutation (27, 30), caractérisé en ce que les commandes de commutation (35, 36) desdits systèmes de commutation (27, 30) sont reliées audit générateur de commande (40). 2- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon la revendication 1 destiné à une source de puissance électrique (15) fournissant une tension alternative, caractérisé en ce que lesdits systèmes de commutation (27, 30) sont formés de diodes (61, 62, 63, 64, 71, 72, 73 et 74) montés en ponts pour laisser passer les alternances de courant dus à ladite source et d'un transistor-interrupteur (81, 82) monté sur une diagonale du pont pour commander la conduction desdites diodes. 3- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit anticollision (90, 91) inséré dans le système de commutation série pour éviter l'enclenchement simultané desdits systèmes de commutation. 4- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est prévu une inductance (25) insérée entre la sortie du système de commutation série (27) et la charge (18). 5- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte un condensateur de filtrage (32) relié auxdits deuxièmes accès (20, 21). 6- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte une résistance de mesure (95), située dans un système de commutation, pour mesurer le courant débité dans la charge. 7- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon l'une des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que le circuit anticollision (90- 91) est formé d'une inductance (90) shuntée par une diode (91) dans le trajet comprenant le dispositif-interrupteur (81) faisant partie du système de commutation série (27).