Brevet FR2943837A1 — publié le 20101001

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne les transformateurs hautes tensions et plus particulièrement ceux implémentés dans les alimentations hautes tensions notamment celles implémentés dans les dispositifs d'imagerie médicale et plus particulièrement les alimentations d'un tube à rayons X de tels dispositifs. ETAT DE LA TECHNIQUE Les contraintes relatives aux alimentations des tubes à rayons X sont io nombreuses. Ces alimentations, lorsque, par exemple, utilisées en tomographie, sont notamment soumises à de fortes accélérations de plusieurs dizaines de G (la source de rayons X étant en rotation rapide autour du patient ou de l'objet à imager). 15 En outre, ces alimentations doivent pouvoir commuter très rapidement d'une première haute tension à une seconde haute tension afin de modifier la nature des rayons X, pour notamment imager de manière contrastée le patient ou l'objet. Les composants utilisés dans les alimentations de tube à rayons X 20 doivent être fiables et présenter de bonnes performances. Dans une telle alimentation, un composant limitant est en particulier le transformateur haute tension. En effet, les transformateurs hautes tensions sont complexes du fait notamment de l'isolation haute tension nécessaire entre enroulements 25 primaires et secondaires. En outre, le transformateur haute tension doit satisfaire à des contraintes de masse, de taille (il doit pouvoir être intégré dans un dispositif d'imagerie médicale) et être peu couteux. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention permet d'obtenir un transformateur haute tension léger et compact, mettant en oeuvre des circuits magnétiques de petite taille et intégrant des circuits redresseurs constitués des composants génériques, présentant donc un coût peu élevé et une réalisation simplifiée par rapport aux transformateurs de type connu. En outre, le transformateur de l'invention présente des performances accrues par rapport aux transformateurs de type connu. Le transformateur de l'invention est fondé sur l'utilisation de io transformateurs élémentaires agencés sur un circuit primaire commun et sur l'utilisation de capacités pour équilibrer les tensions délivrées par les circuits secondaires élémentaires de chaque transformateur élémentaire. L'invention concerne donc un transformateur haute tension comprenant une pluralité de transformateurs élémentaires. 15 Chaque transformateur élémentaire comprend : un circuit élémentaire primaire destiné à être alimenté par une tension primaire élémentaire et un circuit élémentaire secondaire, chaque circuit élémentaire secondaire comprend au moins un enroulement secondaire ; au moins une capacité, chacune connectée aux bornes d'un enroulement secondaire de manière à 20 équilibrer les tensions secondaires entre elles ; le circuit élémentaire secondaire étant destiné à délivrer une tension secondaire élémentaire équilibrée. Chaque transformateur élémentaire comprend en outre un circuit élémentaire magnétique destiné à coupler le circuit élémentaire primaire et 25 le circuit élémentaire secondaire. La tension en sortie du transformateur de l'invention est égale à la somme des tensions secondaires élémentaires équilibrées, les circuits élémentaires primaires étant connectés entre eux de manière à former un circuit commun aux transformateurs élémentaires, ledit circuit commun étant 30 destiné à être alimenté par une tension primaire, la tension primaire étant égale à la somme des tensions primaires élémentaires. Le transformateur de l'invention peut en outre présenter facultativement au l'une des caractéristiques suivantes : û chaque transformateur élémentaire comprend en outre au moins un circuit redresseur de tension, chacun connecté aux bornes d'une capacité, la tension en sortie du transformateur étant égale à la somme des tensions secondaires élémentaires équilibrées et redressées ; dans chaque transformateur élémentaire les enroulements secondaires sont enroulés alternativement, un enroulement dans io un sens, le suivant dans l'autre sens, de manière à limiter la différence de tension entre deux enroulements secondaires adjacents enroulés autour du circuit élémentaire magnétique ; - les circuits magnétiques sont en fer nanocristallin ; - chaque circuit redresseur de tension comprend à ses bornes une 15 capacité de filtrage, afin de générer une tension continue en sortie du transformateur. Selon un second aspect, l'invention concerne une alimentation d'un tube à rayons X comprenant un transformateur haute tension selon le premier aspect de l'invention. 20 Selon un troisième aspect, l'invention concerne un dispositif d'imagerie médicale comprenant une alimentation d'un tube à rayons X selon le second aspect de l'invention. PRESENTATION DES FIGURES 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 illustre un transformateur haute tension selon l'invention ; 5 10 15 la figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'un transformateur élémentaire du transformateur selon l'invention ; - la figure 3 illustre un second mode de réalisation d'un transformateur élémentaire du transformateur selon l'invention ; - la figure 4 illustre le transformateur élémentaire du second mode de réalisation avec des enroulements dans le même sens ; - la figure 5 illustre le transformateur élémentaire du second mode de réalisation avec des enroulements alternés ; - la figure 6 illustre un chronogramme des tensions entre deux enroulements d'un transformateur élémentaire ; - la figure 7 illustre le transformateur du second mode de réalisation dont la tension de sortie est redressée et filtrée ; - la figure 8 illustre une alimentation haute tension connecté au tube à rayons X. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 20 La figure 1 illustre un transformateur haute tension comprenant un nombre N>_2 de transformateurs Ti élémentaires. Les figures 2 et 3 illustrent un transformateur Ti élémentaire selon, respectivement, un premier et un second mode de réalisation. Chaque transformateur Ti élémentaire comprend un circuit 25 élémentaire 10 magnétique, un circuit élémentaire primaire 11, un circuit élémentaire secondaire 20. Pour chaque transformateur Ti élémentaire, le circuit élémentaire 10 magnétique est destiné à coupler le circuit élémentaire primaire 11 et le circuit élémentaire secondaire 20. 30 Chaque circuit élémentaire primaire 11 est alimenté par une tension primaire élémentaire V1;. Les circuits élémentaires primaires 11 sont connectés entre eux en série de manière à former un circuit primaire commun 100 à tous les transformateurs Ti élémentaires. Le circuit commun 100 est alimenté par une tension V1 primaire et chaque circuit élémentaire primaire 11 est alimenté ù comme déjà mentionné ù par une tension primaire élémentaire V1; de manière à ce que la tension V1 primaire soit égale à la somme des tensions primaires N élémentaires V1;, soit V1= 1V1i . On note que le courant I circulant dans les circuits élémentaires io primaires 11 est identique d'un transformateur Ti élémentaire à l'autre. Le circuit commun primaire 100 est constitué de préférence d'un enroulement de un tour pour des applications de fortes puissances ou de deux ou plusieurs tours pour des applications de faibles puissances. Les circuits élémentaires 10 magnétiques de chaque transformateur is Ti élémentaire sont de préférence toriques et sont disposés sur le circuit commun 100 qui est de préférence en forme d'anneau rectangulaire. Chaque circuit élémentaire secondaire 20 comprend au moins un enroulement secondaire 221, 222 enroulé autour du circuit magnétique 10. Chaque circuit élémentaire secondaire 20 est destiné à délivrer une 20 tension secondaire élémentaire V201 qui est équilibrée d'un transformateur élémentaire à l'autre. En d'autres termes les tensions délivrées par chaque transformateur élémentaire sont équilibrées les unes par rapport aux autres. Pour ce faire, le circuit élémentaire secondaire 20 comprend au moins une capacité C' de valeur fixe connue, chacune connectée aux bornes d'un 25 enroulement secondaire 221, 222. En effet, les circuits magnétiques 11 peuvent présenter des dispersions et les tensions secondaires d'un circuit magnétique à l'autre peuvent ne pas être toutes identiques. Ces dispersions sont principalement dues à des différences de perméabilité et de section. Elles sont significatives, typiquement plus ou moins 30%, et leur élimination, par exemple par tri, est couteuse. Il est à noter que l'on préfère une capacité à une résistance (pour obtenir le même résultat) afin de minimiser les pertes. En effet, une résistance ajouterait un élément dissipatif (qui engendrerai des pertes) ù une inductance (de valeur fixe connue) pourrait également assurer la fonction d'équilibrage mais serait complexe (et couteux et encombrant) à réaliser. La tension V en sortie du transformateur est égale à la somme des tensions élémentaires secondaires équilibrées V201 délivrées par les circuits io élémentaires secondaires 20. En effet, chaque transformateur Ti élémentaire délivre la même tension V21 et c'est la mise en série des circuits élémentaires secondaires 20 qui permet d'obtenir la haute tension V en sortie du transformateur. On notera que la capacité totale aux bornes du transformateur, 15 résultant de l'association en serie des capacités aux bornes des N transformateurs élémentaires, diminue lorsque le nombre N de transformateurs élémentaires augmente. Lorsque le nombre N de transformateurs élémentaires est grand le transformateur présente donc une faible capacité de sortie ce qui lui permet de commuter très rapidement 20 d'une première haute tension à une seconde haute tension. Cette performance est encore accrue lorsque, de plus, le nombre d'enroulements secondaires est grand, la capacité aux bornes de chaque transformateur élémentaire étant elle-même diminuée. Selon un premier mode de réalisation, le transformateur peut 25 fonctionner de manière à délivrer une tension alternative (voir figure 2). Selon un second mode de réalisation, le transformateur peut fonctionner de manière à délivrer une tension redressée (voir figure 3). En fonctionnement redressé, chaque transformateur élémentaire Ti comprend en outre un circuit redresseur 301, 302 connecté aux bornes de 3o chaque enroulement du circuit élémentaire secondaire 20. Chaque circuit redresseur 301, 302 est donc monté en parallèle avec la capacité C' correspondante. Les circuits redresseurs 301, 302 sont en outre connectés entre eux. Les circuits élémentaires secondaires 20 sont par conséquent connectés 5 entre eux via ces circuits redresseurs 301, 302 de tension. De tels circuits redresseurs 301, 302 sont par exemple des ponts de diodes de type connu (c'est-à-dire des redresseurs simples, doubleurs ou multiplieurs). Dans le cas de circuits redresseurs, la tension en sortie du io transformateur est égale à la somme des tensions élémentaires secondaires équilibrées d'un transformateur à l'autre et redressées délivrées par chaque transformateur élémentaire Ti. Chaque circuit élémentaire secondaire peut comprendre ù comme déjà mentionné ù un ou plusieurs enroulements. 15 Le circuit élémentaire secondaire est donc subdivisé en plusieurs enroulements ce qui permet de diminuer la tension alternative aux bornes des capacités d'équilibrage et aux bornes des redresseurs. Ceci contribue à la réduction des coûts de fabrication et à l'amélioration de la fiabilité du transformateur et permet de mettre en oeuvre 20 des composants génériques produits en grande quantité pour de nombreuses applications, et dont la technologie est éprouvée (notamment des capacités et des diodes 600V ou 1200V). Les composants génériques sont notamment les capacités et les éléments des circuits redresseurs. 25 Pour chaque transformateur Ti élémentaire, ces enroulements sont repartis autour du circuit élémentaire magnétique 10. Le fait de limiter la tension permet, dans le cas du fonctionnement redressé, de limiter les pertes diélectriques dans le matériau isolant les enroulements du noyau magnétique (ces pertes sont proportionnelles au 30 carré de la tension alternative). Dans le cas où les circuits élémentaires secondaires comprennent une pluralité d'enroulements secondaires 221, 222, ces derniers sont enroulés autour du circuit élémentaire magnétique 10 correspondant, alternativement, un dans un sens, le suivant dans l'autre sens. Une telle manière d'enrouler les secteurs permet, par alternance du sens du courant dans les enroulements, de diminuer la tension maximale entre deux enroulements adjacents ce qui facilite l'isolation entre eux. Dans le cas illustré sur la figure 4, où les enroulements secondaires sont tous dans le même sens, durant l'alternance positive de la tension V1;, io les diodes D11, D13, D21 et D23 conduisent et la tension U entre les deux enroulements 221 et 222 est nulle; durant l'alternance négative de la tension V1;, les diodes D12, D14, D22 et D24 conduisent et la tension U entre les deux enroulements 221 et 222 est égale à la somme des tensions V211 et V221. Dans le cas, illustré sur la figure 5, où les enroulements secondaires 15 sont l'un dans un sens et l'autre dans l'autre sens, durant l'alternance positive de la tension V1;, les diodes D11, D13, D22 et D24 conduisent et la tension UA entre les deux enroulements 221 et 222 est égale à V221; durant l'alternance négative de la tension V11, les diodes D12, D14, D21 et D23 conduisent et la tension UA entre les deux enroulements 221 et 222 est égale 20 à V211. Dans le mode de réalisation le plus commun, les enroulements 221 et 222 ont le même nombre de tours, les tensions V21 i et V221 sont donc égales, la valeur maximale de la tension UA entre enroulements alternés est alors égale à la moitié de la valeur maximale de la tension U entre 25 enroulements non alternés, ce qui représente un gain significatif, voir la figure 6. Ce résultat, décrit ci-dessus pour un circuit redresseur simple, est valide également pour un redresseur-doubleur et pour un redresseur-multiplieur. On note que la tension délivrée par chaque transformateur Ti élémentaire avec deux enroulements ou plus est identique à la tension délivrée par un transformateur Ti élémentaire avec un enroulement. En ce qui concerne la réalisation du transformateur, les transformateurs Ti élémentaires, les capacités correspondantes et les circuits redresseurs correspondants sont disposés par paire sur un circuit imprimé. Les transformateurs Ti élémentaires sont orientés selon leur axe principal horizontalement pour des systèmes statiques ù transformateur non io soumis à des accélérations ù et tangentiellement pour des systèmes rotatifs ù transformateur en rotation, soumis à l'accélération centrifuge. Ceci permet d'améliorer de manière significative le refroidissement par convection de chaque circuit élémentaire. Les circuits imprimés comprenant une paire de transformateurs 15 élémentaires sont ensuite enfilés sur le circuit commun primaire. On obtient la disposition illustrée sur la figure 1. Les circuits magnétiques élémentaires sont en outre constitués de fer nanocristallin. Un tel matériau présente de bonnes performances en densité de puissance et en termes de couplage magnétique. 20 Du fait de sa forte perméabilité, ce matériau permet, d'une part de limiter le nombre de tours de l'enroulement primaire 100, d'autre part de se satisfaire d'une capacité d'équilibrage de faible valeur, donc moins couteuse et plus compacte. Grâce à la structure du matériau on peut fonctionner à hautes 25 fréquences avec un niveau de pertes acceptable. Afin de générer une tension V continue en sortie du transformateur une capacité de filtrage Cf est ajoutée aux bornes de chaque redresseur 301, 302 suivant la figure 7. Le transformateur ci-dessus décrit permet d'alimenter un tube à 30 rayons X. On a illustré sur la figure 8 le transformateur connecté au tube à rayons X 40. REVENDICATIONS1. Transformateur haute tension comprenant : une pluralité de transformateurs élémentaires (Ti), chaque transformateur (Ti) élémentaire comprenant o un circuit élémentaire primaire (11) destiné à être alimenté par une tension primaire élémentaire (V1;) ; o un circuit élémentaire secondaire (20) comprenant ^ au moins un enroulement secondaire (221, 222) ; io ^ au moins une capacité (C'), chacune connectée aux bornes d'un enroulement secondaire (221, 222) de manière à équilibrer les tensions secondaires (V211, V221) entre elles ; le circuit élémentaire secondaire (20) étant destiné à délivrer une 15 tension secondaire élémentaire équilibrée (V201) o un circuit élémentaire (10) magnétique destiné à coupler le circuit élémentaire primaire (11) et le circuit élémentaire secondaire (20) ; la tension (V) en sortie du transformateur étant égale à la somme 20 des tensions secondaires élémentaires équilibrées (V201), les circuits élémentaires primaires (11) étant connectés entre eux de manière à former un circuit commun (100) aux transformateurs (Ti) élémentaires, ledit circuit commun (100) étant destiné à être alimenté par une tension primaire (V1), la tension primaire (V1) étant égale à la somme 25 des tensions primaires élémentaires (V1;). 2. Transformateur selon la revendication 1 dans lequel chaque transformateur élémentaire comprend en outre au moins un circuit redresseur de tension (301, 302), chacun connecté aux bornes d'une 30 capacité (C'), la tension (V) en sortie du transformateur étant égale à la somme des tensions secondaires élémentaires équilibrées et redressées. 15 3. Transformateur selon la revendication 2 dans lequel dans chaque transformateur (Ti) élémentaire les enroulements secondaires sont enroulés alternativement, un enroulement dans un sens, le suivant dans l'autre sens, de manière à limiter la différence de tension entre deux enroulements s secondaires adjacents enroulés autour du circuit élémentaire (10) magnétique. 4. Transformateur selon l'une des revendications précédentes dans lequel les circuits magnétiques sont en fer nanocristallin. 5. Transformateur selon l'une des revendications 2 à 4 dans lequel chaque circuit redresseur de tension (301, 302) comprend à ses bornes une capacité de filtrage (Cf), afin de générer une tension (V) continue en sortie du transformateur. 6. Alimentation d'un tube à rayons X comprenant un transformateur haute tension selon l'une des revendications 2 à 5. 7. Dispositif d'imagerie médicale comprenant une alimentation d'un 20 tube à rayons X selon la revendication 6.