Brevet FR2984539A1 — publié le 20130621

CIRCUIT REALISANT UNE INDUCTANCE DE PUISSANCE DONT LA VALEUR MOYENNE D'INDUCTANCE EST DYNAMIQUEMENT VARIABLE, SYSTEME DE REGULATION DE TENSION ET GENERATEUR INDUCTIF La présente invention est relative aux circuits réalisant des inductances de puissance dont la valeur moyenne d'inductance est dynamiquement variable, aux systèmes de régulation de tension pour des sources d'énergie électrique de forte puissance utilisant de tels circuits et aux générateurs inductif utilisant de tels circuits. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un circuit réalisant une inductance de puissance dont la valeur moyenne d'inductance est dynamiquement variable, le circuit comprenant au moins une inductance adaptée pour pouvoir se trouver dans au moins deux états d'opération distincts : un état bloqué de forte inductance et un état saturé de faible inductance ainsi qu'un circuit de commande adapté pour commander l'état d'opération de l'inductance. Les inductances adaptées pour pouvoir se placer dans deux états d'opération distincts sont aussi appelées inductances saturables. De telles inductances de faible puissance sont connues et employées dans des circuits comme les amplificateurs magnétiques ou « mag-amp » permettant de fournir une régulation de tension individuelle à chaque sortie d'un convertisseur électrique multi-sorties. Le document US 2003-174525 décrit un exemple de circuit utilisant une inductance saturable. Ce circuit permet de résoudre d'une façon simple et économique le problème technique de la stabilisation d'une tension continue de faible puissance. Dans le cas de la régulation d'une impulsion de forte puissance, c'est-à-dire plus de 100 Volts et plus de quelques Ampères, les circuits de régulation utilisés sont 35 généralement des sources à découpage (voir par exemple « A SOLID STATE MODULATOR FOR DRIVING SLAC 5045 KLYSTRONS » by J.E. de Lamare, R.L. Cassel, M.N. Nguyen, G.C. Pappas, and A.R. Donaldson, Presented at the 28th International Conference on Plasma Science (ICOPS 2001) and 13th International Pulsed Power Conference (IPPC 2001) . 6/17/2001 - 6/22/2001, Las Vegas, Nevada) ou des bouncers (voir par exemple « DEVELOPMENT OF ALL SOLID STATE BOUNCER COMPENSAIED LONG PULSE MODULATORS FOR LEP 1MW KLYSTRONS TO BE USED FOR LINAC4 PROJECT AT CERN » by Purushottam Shrivastava, J. Mulchandani and V.C. Sahni, Proceedings of LINAC08, Victoria, BC, Canada). Ces circuits couteux et complexes sont employés en lieu et place d'un circuit plus simple à base d'inductance saturable car l'utilisation de ce dernier pose plusieurs inconvénients que sont par exemple la tenue des composants et la régulation efficace de la tension de sortie. La présente invention a notamment pour but de pallier ces inconvénients. A cet effet, selon l'invention, un circuit 20 réalisant une inductance de puissance dont la valeur moyenne d'inductance est dynamiquement variable du genre en question est caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de contrôle du circuit de commande adapté pour définir des signaux numériques de commande à partir d'une 25 valeur cible de l'inductance moyenne et en ce que le circuit de commande est adapté pour commander l'état d'opération de l'inductance en fonction de chacun des signaux numériques de commande. Grâce à ces dispositions, il est possible de 30 contrôler dynamiquement la valeur moyenne d'inductance au cours de l'impulsion de puissance et d'ajuster le profil de l'impédance par le choix d'un train de signaux numériques donné. Dans des modes de réalisation préférés de 35 l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - l'inductance comprend un matériau magnétique à cycle rectangulaire de préférence amorphe ou nanocristallin. - l'inductance est de forme torique. - le circuit de commande commande l'état d'opération en injectant un contre-flux dans l'inductance. - le circuit de commande commande l'état d'opération en injectant un contre-courant dans 10 l'inductance. - le circuit de commande comprend au moins un interrupteur. - l'inductance est placée en série. - le circuit comprend en outre un filtre passe-bas 15 placé après l'inductance. Un autre aspect de l'invention est un système de régulation de tension pour une source d'énergie électrique de forte puissance comprenant un circuit réalisant une inductance de puissance dont la valeur moyenne d'inductance 20 est dynamiquement variable tel que décrit plus haut. Enfin un dernier aspect de l'invention est un générateur inductif comprenant un circuit réalisant une inductance de puissance dont la valeur moyenne d'inductance est dynamiquement variable tel que décrit plus haut. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : 30 - la figure 1 est un schéma d'organisation d'un circuit selon l'invention. - la figure 2a illustre schématiquement une inductance saturable, - la figure 2b est une courbe illustrant un cycle 35 d'hystérésis rectangulaire, - la figure 3a illustre schématiquement un premier mode de réalisation d'un circuit selon l'invention, - la figure 3b illustre schématiquement un second mode de réalisation d'un circuit selon l'invention, - la figure 4 illustre schématiquement un troisième mode de réalisation d'un circuit selon l'invention, - la figure 5 illustre les évolutions temporelles des signaux de commande, de la valeur de l'inductance et de 10 la valeur moyenne de l'inductance, - la figure 6 illustre schématiquement un système de régulation de tension selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 7 illustre schématiquement un 15 générateur inductif selon un mode de réalisation de l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 présente le schéma d'organisation d'un 20 circuit 1 réalisant une inductance de puissance selon l'invention. Ce circuit 1 comprend une inductance saturable 10 alimentée à sa borne d'entrée 15 par une source de puissance 40 et débitant à sa borne de sortie 16 dans une charge 50. Le circuit 1 peut en outre comporter un circuit 25 de commande 20 commandant l'inductance 10 ainsi qu'un circuit de contrôle 30 du circuit de commande 20 qui sera détaillé plus loin. Enfin, le circuit peut comprendre un filtre 60 ainsi qu'un circuit de mesure additionnel 70 placé, sur 30 l'exemple de la figure 1, entre l'inductance 10 et la charge 50 et qui seront détaillés plus loin. L'inductance saturable 10 est un composant électrique inductif muni de deux bornes 15 et 16 et dont le cycle d'hystérésis est fortement rectangulaire. Elle peut 35 comprendre un matériau magnétique facilement saturable, par exemple un matériau nanocristallin ou un alliage amorphe, qui peut par exemple être à base de Fer, de Zinc, de Manganèse ou de terres rares. L'inductance 10 peut par exemple être de forme 5 torique, constituée d'un fil ou enroulement principal 11 et munie d'une borne d'entrée 15 et d'une borne de sortie 16 de l'inductance 10 comme indiqué sur la Figure 2a. Une telle inductance est aussi appelée une bobine. Le fil 11 est par exemple enroulé autour d'un noyau 12. Le noyau 12 10 peut être vide ou comprendre un matériau magnétique facilement saturable et être fermé ou muni d'un entrefer. Le fil 11 est adapté pour permettre la transmission d'une forte puissance électrique. Il peut par exemple être réalisé dans un alliage comportant du cuivre et posséder un 15 diamètre adapté. La figure 2b illustre un cycle d'hystérésis fortement rectangulaire. L'inductance saturable 10 possède deux états d'opération distincts : un état bloqué 10b de forte inductance dans lequel la valeur de l'inductance est 20 Lb et un état saturé 10s de faible inductance dans lequel la valeur de l'inductance est Ls. A titre d'exemple, si au cours d'un intervalle de temps d'une durée T, l'inductance 10 est dans l'état 10s pendant une durée Ts et dans l'état 10b pendant une durée 25 Tb, les durées Ts et Tb étant telles que T=Tb+Ts, la valeur moyenne Lm de l'inductance 10 sur l'intervalle de durée T est : Lm = Lb x Tb + Ls xTs T Le circuit de commande 20 permet de contrôler 30 l'état de l'inductance 10 et de la placer dans l'état d'opération 10b ou 10s. La figure 3a présente un premier mode de réalisation d'un circuit selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, le circuit de commande 20 comprend quatre interrupteurs 21, 22, 23, 24 qui peuvent être actionnés par paires de façon à faire circuler un courant 21a dans un premier sens dans l'inductance 10 ou un courant 22a dans un second sens dans l'inductance 10. L'interrupteur 21 est par exemple situé entre la source de puissance 40 et la borne d'entrée de l'inductance 15, tandis que l'interrupteur 23 est par exemple situé entre la borne de sortie de l'inductance 16 et la charge 50. Ainsi, en fermant les interrupteurs 21 et 23, un courant 21a peut circuler dans un premier sens dans l'inductance saturable 10 pour l'amener dans un état saturé 10s. Les interrupteurs 22 et 24 sont placés en dérivation, l'interrupteur 22 étant par exemple placé en dérivation du transistor 21 et de l'inductance saturable 10 tandis que l'interrupteur 24 peut être placé en dérivation du transistor 21, orienté en sens inverse de ce dernier et relié à la borne d'entrée 15 de l'inductance 10 à l'une de ses extrémités et à la masse à son autre extrémité. De cette façon, la fermeture des interrupteurs 22 et 24 permet la circulation d'un courant 22a dans un second sens, aussi appelé contre-courant 22a, dans l'inductance saturable 10 de façon à placer celle-ci dans l'état bloqué 10b. La figure 3b présente une alternative au mode de réalisation décrit sur la figure 3a. Le fonctionnement de ce circuit est similaire au fonctionnement du circuit décrit plus haut pour la figure 3a. Dans ce mode de réalisation, le courant 22a circulant dans le second sens est cependant évacué à travers la charge 50 et non pas directement à la masse. Les interrupteurs 21, 22, 23 et 24 sont avantageusement des composants de puissance, par exemple des thyristors à extinction par la gâchette ou GTO, des thyristors MCT ou des transistors bipolaire à grille isolée ou IGBT. L'homme de l'art pourra faire appel à d'autres types d'interrupteurs selon le mode de réalisation. Dans certains modes de réalisation, des composants de plus faible puissance, comme des transistors, par exemple les transistors à effet de champ, pourront être 5 employés. L'homme du métier pourra en outre remplacer les interrupteurs par plusieurs interrupteurs placés en série ou en parallèle en fonction des besoins et des caractéristiques des interrupteurs. 10 Les interrupteurs 21, 22, 23, 24 sont commandés par un ou plusieurs circuits de contrôle 30 comprenant une électronique analogique 35 de commande des interrupteurs ainsi qu'une électronique numérique 36 de contrôle, par exemple constituée de circuits intégrés numériques. 15 La figure 4 présente un troisième mode de réalisation d'un circuit selon l'invention, dans lequel l'état de l'inductance 10 est commandé par un contre-flux généré par un enroulement de remise à zéro 13 entourant le noyau 12 de l'inductance 10. 20 Un circuit de commande 20 commande le passage d'un courant dans l'enroulement principal 11 de l'inductance saturable 10 ainsi que dans l'enroulement de remise à zéro 13 au moyen respectivement d'un premier interrupteur 21 et d'un second interrupteur 22. Les interrupteurs 21 et 22 25 sont reliés à l'une de leurs extrémités à la source 41 et à l'autre à une borne respectivement de l'enroulement principale et de l'enroulement de reset. Le premier interrupteur 21 est relié à l'enroulement principal 11 de l'inductance saturable 10 et 30 permet de faire circuler un courant 21a dans l'inductance de façon à la faire passer dans l'état saturé 10s. Le second interrupteur 22 est relié à l'enroulement de remise à zéro 13 de façon à faire circuler dans ledit enroulement un courant 22a dans un sens opposé au courant 35 21a circulant l'enroulement principal 11 commandé par le circuit de commande principale 21. De cette façon, le courant 22a génère un contre-flux dans l'inductance 10 qui permet de ramener ladite inductance dans l'état d'opération bloqué 10b, tandis que le courant 21a permet de passer l'inductance dans l'état saturé 10s. En outre, l'enroulement de remise à zéro 13 peut comporter un nombre de spires adapté pour permettre un changement efficace de l'état d'opération de l'inductance 10, par exemple un nombre de spires plus élevé que celui de l'enroulement principal 11. Les interrupteurs 21 et 22 sont commandés par un circuit de contrôle 30 dont le fonctionnement va maintenant être décrit. En se référant maintenant à la figure 5, pour réaliser une succession contrôlée de valeurs d'inductance moyenne L au cours du temps, le circuit de contrôle 30 détermine à l'aide d'un processeur 31 une série de signaux numériques de commande 32. Les signaux numériques de commande 32 peuvent prendre deux valeurs : une valeur haute 33 et une valeur basse 34. Le circuit de contrôle 30 est adapté pour transmettre des signaux numériques à une fréquence de contrôle donnée, de préférence grande devant la fréquence du signal de puissance ou correspondant à une période de contrôle T petite devant la durée de l'impulsion de puissance si il s'agit d'une impulsion unique. La fréquence de contrôle pourra être adaptée à la durée de l'impulsion de façon à ce que l'état d'opération de l'inductance saturable soit modifié au moins un certain nombre de fois pendant une impulsion, par exemple au moins une dizaine de fois environ. Dans le cas d'une impulsion de puissance d'une durée de quelques millisecondes par exemple, il est possible d'utiliser une fréquence de contrôle de 50 à 100 kilohertz soit une période de contrôle T de 10 à 20 microsecondes. Dans le cas d'une durée de l'impulsion de puissance de quelques microsecondes, la fréquence de contrôle pourra alors être de l'ordre de 1 à 10 mégahertz pour pouvoir modifier l'état de l'inductance avec une période de contrôle T de 100 à 1000 nanosecondes. Chaque signal de la série de signaux numériques 32 prend donc une valeur haute 33 pendant une durée T1 et une valeur basse 34 pendant une durée T2, les durées T1 et T2 étant telles que leur somme correspond à la durée de la période de contrôle T. La série de signaux numériques de commande 32 est ensuite transmise au circuit de commande 20. Pour chaque signal de la série de signaux numériques 32, le circuit de commande 20 place l'inductance 10 dans l'état d'opération bloqué 10b si le signal possède la valeur haute 33 ou la placer dans l'état saturé 10s si le signal possède la valeur basse 34, de façon à convertir la série de signaux numériques 32 en une série d'états de l'inductance 10 comme détaillé ci-avant. Les durées des signaux numériques T1 et T2 20 correspondent ainsi respectivement aux durées Tb pendant laquelle l'inductance 10 est dans l'état 10b et Ts pendant laquelle l'inductance 10 est dans l'état 10s, au temps de montée et descente des composants des circuits 20, 30 près. Le circuit de contrôle détermine les durées T1 et 25 T2 à partir de la valeur cible Lm de l'inductance moyenne pendant la période considérée, à l'aide de la Lb x T 1 + Ls xT 2 formule Lm= soit, comme T=T1+T2 : T Lm =Lb x T1 + Ls x (T - Tl) T Les durées T1 et T2 étant toujours positives, la 30 valeur cible de l'inductance moyenne Lm est comprise entre les valeurs Ls et Lb. Une valeur cible de l'inductance moyenne Lm est ainsi obtenue à chaque période de contrôle T et le circuit réalise une inductance de puissance dont la valeur moyenne d'inductance est dynamiquement variable. A cette fin, le circuit de contrôle 30 comporte une 5 électronique analogique 35 de commande des interrupteurs ainsi qu'une électronique numérique de contrôle 36. L'électronique numérique 36 est constituée de circuits intégrés numériques comportant par exemple un processeur 31 et une mémoire 38. Ladite électronique 36 10 peut aussi comprendre un ordinateur muni d'un microprocesseur 31, d'une mémoire 38 ainsi que d'un moyen de communication avec le circuit de contrôle 20, par exemple une carte de communication ou un périphérique comportant des convertisseurs analogique-numérique. 15 La mémoire 38 stocke une série de valeurs cibles de l'inductance moyenne Lm . Un logiciel du processeur 31 convertit les valeurs cibles de l'inductance moyenne en série de signaux numériques de commande 32 qui sont transmis au circuit de commande 20, par l'intermédiaire de 20 l'électronique analogique 35. Le circuit de commande 20 place l'inductance 10 dans les états d'opération comme décrit ci-avant. Un circuit de mesure additionnel 70, placé avant ou après l'inductance 10, peut mesurer la tension ou le 25 courant aux bornes d'entrée 15 ou de sortie 16. Il peut transmettre cette mesure au circuit de contrôle 30 qui pourra par exemple utiliser cette mesure pour adapter la série de signaux numériques de commande 32 et ainsi la valeur de l'inductance moyenne Lm . 30 Le circuit 1 peut en outre comporter un filtre passe-bas 60 placé en série entre la borne de sortie 16 de l'inductance 10 et la charge 50. Ce filtre 60 permet d'éliminer les fluctuations de tension induites par la variation de la valeur de l'inductance à la fréquence de 35 contrôle. La figure 6 illustre comment le circuit 1 peut être intégré dans un système de régulation de tension 600 pour une source d'énergie électrique de forte puissance 610. Une telle source peut par exemple être constituée par un générateur d'impulsions de forte puissance tels ceux utilisés dans un accélérateur de particules, un laser de puissance ou une source hyper-fréquence de puissance. Un système de régulation de tension 600 intégrant le circuit 1 permet d'obtenir une onde rectangulaire ou trapézoïdale avec un plat de qualité (« flat-top »), c'est-à-dire avec moins de 1% de variation en tension en sortie d'un générateur d'impulsions de forte puissance à impulsions longues. Dans le cas où l'onde est trapézoïdale l'inductance 10 est par exemple dans l'état opération saturé 10s pendant les temps de transition de début et de fin d'onde, de façon à ce que son action soit négligeable et en particulier n'augmente pas lesdits temps de transition. Les impulsions longues sont comprises comme étant d'une durée supérieure à quelques microsecondes, par exemple entre quelques microsecondes et quelques millisecondes. Un système de régulation de tension 600 selon l'invention est ainsi constitué d'une source d'énergie électrique de forte puissance 610 reliée en série à un circuit 1 réalisant une inductance de puissance dont la valeur moyenne d'inductance est dynamiquement variable tel que décrit plus haut. Ce circuit 1 peut constituer la charge du générateur. Une série de valeur valeurs cible de l'inductance moyenne Lm au cours d'une impulsion permettant de maintenir une amplitude en tension de l'impulsion constante dans un écart autorisée, par exemple de 1%, peut être déterminée, par exemple par le processeur 31 et stockée dans la mémoire 38. Cette série peut aussi avoir été déterminée préalablement et être stockée dans la mémoire 38. Cette série de valeurs cibles de l'inductance est ensuite convertie en série de signaux numériques de commande 32 puis transmise au circuit de commande 20 comme 5 détaillé ci-avant. Dans un second mode de réalisation, la source d'énergie électrique de forte puissance 610 pourra être constituée par un transformateur de puissance, par exemple relié à l'électricité de ville et adapté pour fournir de 10 l'énergie à une installation de taille moyenne comme une usine ou un ensemble de particuliers. Dans ce cas, le circuit comporte avantageusement l'un des circuits de mesure additionnels 70 décrits précédemment afin d'adapter la valeur de l'inductance moyenne Lm au cours du temps. Un 15 tel circuit permet de réguler la tension de sortie du régulateur et éviter les surtensions. La figure 7 illustre un générateur inductif 700 comprenant un circuit 1 réalisant une inductance de puissance dont la valeur moyenne d'inductance est 20 dynamiquement variable. Un tel générateur 700 comprend une source de puissance 710 générant une énergie électrique stockée dans un circuit 1 tel que décrit ci-avant. Il comprend en outre un disjoncteur 720 et alimente une charge 730. 25 Lorsque le disjoncteur 720 est fermé, aucun courant ne circule dans la charge 730 et de l'énergie est stockée dans l'inductance variable du circuit 1. Lorsque le disjoncteur 720 est ouvert, de l'énergie est transférée du circuit 1 à la charge 730. 30 Un générateur inductif 700 utilisant le circuit 1 en tant qu'inductance variable permet d'augmenter sensiblement le rendement d'un tel transfert d'énergie comme détaillé par exemple dans Rioux C., "Théorie simplifiée des procédés de transfert inductif à haut 35 rendement" (1975), Revue de physique appliqué. Un dispositif tel qu'illustré sur la figure 7 peut être employé comme dispositif de stockage inductif dont l'emploi est particulièrement souple pour des circuits de puissance. Un tel dispositif remplace de façon avantageuse les batteries traditionnelles, par exemple les batteries de condensateurs. REVENDICATIONS1. Circuit comprenant au moins les éléments suivants : - une inductance (10) adaptée pour pouvoir se trouver dans au moins deux états d'opération distincts : un état bloqué (10b) de forte inductance et un état saturé (10s) de faible inductance; - un circuit de commande (20) adapté pour 10 commander l'état d'opération de l'inductance, le circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de contrôle (30) du circuit de commande adapté pour définir une série de signaux numériques de commande (32) à 15 partir d'une série de valeurs cible de l'inductance moyenne (Lm), et en ce que le circuit de commande (20) est adapté pour commander l'état d'opération de l'inductance (10) en fonction de chacun des signaux numériques de la série de 20 signaux numériques de commande (32). 2. Circuit selon la revendication précédente dans lequel l'inductance (10) comprend un matériau magnétique à cycle rectangulaire de préférence amorphe ou nanocristallin. 25 3. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'inductance (10) est de forme torique. 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de 30 commande (20) commande l'état d'opération en injectant un contre-flux dans l'inductance (10). 5. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de commande (20) commande l'état d'opération en injectant un 35 contre-courant (22a) dans l'inductance (10). 6. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de commande (20) comprend au moins un interrupteur (21). 7. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'inductance (10) est placée en série. 8. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un filtre passe-bas (60) placé après l'inductance. 9. Système de régulation de tension pour une source d'énergie électrique de forte puissance comprenant un circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10.Générateur inductif comprenant un circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.