Brevet FR3001601A1 — publié le 20140801

Dispositif de génération de plasma avec réduction de la surtension aux bornes du transistor de commutation, et procédé de commande correspondant L'invention concerne la génération de plasma, et plus particulièrement la suppression des surtensions aux bornes du transistor de commutation du générateur haute tension alimentant le générateur de plasma. L'invention s' applique avantageusement mais non limitativement à la génération de plasma dans un gaz, et notamment la génération de plasma utilisée pour l'allumage radiofréquence commandé pour moteur à combustion interne par les électrodes d'une bougie. 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 commande 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 des trains successifs d'impulsions de commande à une fréquence de pilotage, un ensemble bobine-condensateur alimenté par une moyenne tension. La combinaison de ce générateur de tension impulsionnelle et du résonateur série (« bobine-bougie ») 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 des trains d'impulsions de commande appliquées sur la grille du transistor de commutation. Lorsque le transistor est passant, un courant circule dans la bobine du générateur de tension tandis que lorsque le transistor est bloqué le courant charge d'une part le condensateur du générateur de tension 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 surtension important, crée la haute tension capable de déclencher des étincelles. En régime établi, une importante énergie réactive est stockée dans la bobine inductive et le condensateur du résonateur série. Et, à la fin de chaque train d'impulsions, l'excitation du résonateur série est arrêtée brutalement. L'énergie réactive est alors transférée dans le condensateur de l'ensemble bobine-condensateur relié en parallèle du générateur de tension, provoquant une surtension momentanée entre les bornes drain-source du transistor de commutation. Cette surtension détermine la tension maximale au drain qui doit supporter le transistor. Il s'avère donc particulièrement utile de réduire cette surtension. Une solution pour limiter cette surtension a été décrite dans la demande de brevet français n° 2 893 989 et prévoit l'adjonction d'une diode Zener aux bornes du transistor de commutation. Cependant, une telle solution induit un surcoût. Un but de l'invention est de proposer une solution radicalement différente pour limiter la surtension aux bornes du transistor de commutation. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un procédé de commande du transistor de commutation d'un générateur de tension destiné à alimenter en tension une bougie de génération de plasma contenant un résonateur inductif capacitif, le procédé comprenant une délivrance de trains successifs d'impulsions de commande à une fréquence de pilotage sur l'électrode de commande du transistor de commutation. Selon une caractéristique générale de cet aspect, on désaccorde, sur la partie finale de chaque train, la fréquence de pilotage de la fréquence de résonance du résonateur (bobine-bougie). Bien qu'il soit possible de désaccorder ces fréquences en diminuant la fréquence de pilotage par rapport à la fréquence de résonance du résonateur, il est préférable d'augmenter la fréquence de pilotage par rapport à la fréquence de résonance du résonateur. En effet, on obtient alors une réduction plus importante de la surtension. Selon un mode de mise en oeuvre, on augmente ladite fréquence de pilotage sur la partie finale de chaque train en diminuant la durée pendant laquelle le transistor de commutation est passant. En effet, on choisit de maintenir constante la durée pendant laquelle le transistor de commutation est bloqué et, en réduisant la durée pendant laquelle le transistor est passant, on réduit dans l'inductance du résonateur parallèle du générateur de tension, l'énergie maximale disponible transférable au résonateur inductif-capacitif (bobine-bougie). L'homme du métier saura ajuster le décalage en fréquence de la fréquence de pilotage en fonction notamment d'un compromis entre le résultat recherché et les effets indésirables de ce désaccord de fréquence. Ainsi, à titre indicatif, sur la partie finale de chaque train, on peut décaler la fréquence de pilotage d'une valeur comprise entre 0,5% et 5% de la fréquence de résonance du résonateur. En effet, un décalage en fréquence inférieur à 0,5% conduit à une baisse non significative de la surtension tandis qu'un décalage de fréquence supérieur à 5% induit des modulations supplémentaires non souhaitées conduisant à des pics de tension. Par ailleurs, l'homme du métier saura également ajuster la durée de la partie finale de chaque train au cours de laquelle on effectue le désaccord en fréquence en fonction notamment de la qualité de l'étincelle souhaitée au niveau de la bougie. A titre indicatif, cette partie finale de chaque train peut comporter un nombre d'impulsions compris entre Q/4 et Q, Q étant le coefficient de surtension du résonateur. Selon un autre aspect, il est proposé un dispositif de génération de plasma, comprenant une bougie de génération de plasma contenant un résonateur inductif capacitif apte à produire une haute tension, des moyens de génération configurés pour délivrer des trains successifs d'impulsions de commande à une fréquence de pilotage, et un générateur de tension comprenant un transistor de commutation dont l'électrode de commande est reliée à la sortie des moyens de génération et une sortie apte à délivrer un train d'impulsions de tension au résonateur en réponse au train d'impulsions de commande reçues sur l'électrode de commande du transistor de commutation. Selon une caractéristique générale de cet autre aspect, sur la partie finale de chaque train, les moyens de génération sont configurés pour délivrer les impulsions de commande à une fréquence de pilotage différente de la fréquence de résonance du résonateur. Selon un mode de réalisation, sur la partie finale de chaque train les moyens de génération sont configurés pour délivrer les impulsions de commande à une fréquence de pilotage supérieure à la fréquence de résonance du résonateur. Selon un mode de réalisation, le transistor de commutation est passant pendant une durée de fermeture et bloqué pendant une durée d'ouverture, la somme de ces deux durées étant égale à la période de pilotage des impulsions, et les moyens de génération sont configurés pour modifier ladite fréquence de pilotage sur la partie finale de chaque train en diminuant la durée de fermeture. Selon un mode de réalisation, sur la partie finale de chaque train, les moyens de génération sont configurés pour modifier la fréquence de pilotage d'une valeur comprise entre 0,5% et 5% de la fréquence de résonance du résonateur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation et de mise en oeuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : les figures 1 et 2 illustrent schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif de génération de plasma selon l'invention, et la figure 3 illustre schématiquement un exemple de train d'impulsions commandant le transistor de commutation du dispositif de génération de plasma. Sur la figure 1, la référence DIS désigne un dispositif de génération de plasma comprenant une bougie de génération de plasma résonante BR et un générateur de tension impulsionnel périodique GENT. La structure d'une bougie résonante BR est classique et connue en soi par l'homme du métier. Ainsi, des modes de réalisation d'une telle bougie sont par exemple décrits dans les demandes de brevets européen n°1 505 594 et 1 515 408. Plus précisément, comme illustré de façon schématique sur la figure 1, la bougie résonante BR comporte un résonateur série R52, comportant une bobine inductive L2 et un condensateur C2 qui, dans l'exemple décrit ici est constitué par l'ensemble culot 1-céramique 2-électrode centrale 3. Le culot, formant l'autre électrode, est relié à la masse. Ce résonateur haute tension R52 est également appelé bobine-bougie. Ce résonateur R52 est alimenté en tension par le générateur périodique d'impulsions GENT. Comme illustré sur la figure 2, ce générateur impulsionnel de tension GENT comporte un ensemble bobine Li et condensateur Cl reliés en parallèle, ainsi qu'un transistor de commutation Ml, formé ici d'un transistor MOSFET de puissance à canal P, commandé sur sa grille G par des trains successifs TRi d'impulsions de commande générés par des moyens de génération MGN. Dans le cadre d'une application à un allumage commandé pour moteur à combustion interne, les trains successifs TRi sont successivement délivrés en fonction des temps moteur. Les moyens de génération MGN peuvent comprendre des moyens de structure classiques et connus en soi, configurés pour générer les impulsions modulées selon une modulation de largeur d'impulsions (PWM : Pulse With Modulation). La fréquence propre du résonateur série L2 C2 présente une fréquence de résonance élevée, par exemple supérieure à 1 Mhz, typiquement 5Mhz, avec un facteur de surtension compris par exemple entre 40 et 200, typiquement 100. Le générateur impulsionnel GENT est alimenté par une source de tension VMT délivrant une moyenne tension, typiquement inférieure à 1000 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 volts dans une application automobile, on peut utiliser un convertisseur 12 volts vers Y volts, Y étant la tension fournie par l'alimentation VMT. On peut ainsi générer le niveau de tension continue souhaité 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, pour ses qualités de robustesse et de simplicité, une alimentation à découpage pour alimenter le générateur GENT. Lorsque le transistor M1 est passant, un courant circule dans la bobine Ll.Lorsque le transistor M1 est bloqué, le courant charge d'une part le condensateur Cl et alimente d'autre part la bobine L2. Le potentiel de drain du transistor M1 s'élève. Cette tension élevée, typiquement de l'ordre de 500 volts, alimente le résonateur série RS2, qui, grâce à un facteur de surtension important, crée la haute tension HT capable de déclencher les étincelles. En régime établi, une importante énergie réactive est stockée dans la bobine L2 et dans le condensateur C2. En fin de train d'impulsions, l'excitation est arrêtée brutalement. Cette énergie réactive est alors transférée dans le condensateur Cl, provoquant une surtension momentanée au drain du transistor Ml. Cette surtension, si elle est trop importante, peut être destructrice pour le transistor. Il est donc avantageusement prévu de limiter la valeur de cette surtension. A cet égard, il est prévu, comme illustré sur la figure 3, de désaccorder en fin de train, et plus précisément sur la partie finale PFi de chaque train TRi, la fréquence de pilotage des impulsions de commande du transistor Ml, de la fréquence de résonance du résonateur série L2 C2. Plus précisément, pendant la première partie du train TRi, les impulsions IMP sont délivrées avec une première fréquence de pilotage Fexl correspondant à une première période de pilotage Texl. Au cours de cette période Texl, le transistor est successivement passant pendant une durée Tonl et bloqué pendant une durée Toffl. La fréquence de pilotage Fexl est typiquement égale à la fréquence de résonance du résonateur série L2 C2 (bobine-bougie). Puis, sur la partie finale PFi du train TRi, cette fréquence de pilotage est modifiée, ici augmentée, pour prendre une valeur Fex2 différente de la fréquence de résonance du résonateur série L2 C2, ici une valeur supérieure. A cet égard, une solution pour modifier cette fréquence de pilotage consiste à laisser constante la durée Toffl et à agir sur la durée Ton pendant laquelle le transistor M1 est passant. Ainsi, sur la figure 3, on voit que sur la partie finale PFi, cette durée Ton2 est réduite, ce qui permet de diminuer la période de pilotage Tex2 et donc d'augmenter la fréquence de pilotage. Cette solution consistant à maintenir constante la durée Toffl du transistor et de diminuer la durée Ton est préférable car la réduction de cette durée Ton réduit l'énergie maximale dans la bobine Li de l'ensemble Li Cl, énergie maximale disponible transférable au résonateur série L2 C2, et donc réduit, de façon plus efficace, la surtension au drain du transistor M1 lorsque le train TRi s'achève. Le décalage de fréquence sur la partie PFi entre la fréquence de pilotage des impulsions et la fréquence de résonance du résonateur L2 C2 (bobine-bougie) peut être compris entre 0,5% et 5% de la fréquence de résonance de ce résonateur bobine-bougie L2 C2.Une valeur typique de décalage de fréquence est égale à 1%. Ainsi, si la fréquence de résonance de la bobine-bougie L2 C2 est égale à 5 Mhz, le décalage en fréquence peut être de 25 khz. Par ailleurs, la durée de la partie finale PFi peut s'exprimer en un nombre d'impulsions avant l'instant TF de cessation du train. Ce nombre d'impulsions peut être typiquement compris entre Q/4 et Q, Q étant le coefficient de surtension du résonateur. Typiquement, le coefficient de surtension du résonateur L2 C2 (bobine-bougie) est égal à 100. En conséquence, le nombre d'impulsions dans la partie finale, ou bien le nombre de périodes, peut être typiquement compris dans ce cas entre 25 et 100. A titre indicatif, pour un décalage en fréquence typiquement de 25 Khz, une partie PF, de 25 périodes, correspondant à une durée de l'ordre de 5 microsecondes, permet d'avoir une réduction de 50% environ de la surtension. REVENDICATIONS1. Dispositif de génération de plasma, comprenant une bougie de génération de plasma contenant un résonateur inductif capacitif (RS2) apte à produire une haute tension, des moyens de génération (MGN) configurés pour délivrer des trains successifs d'impulsions de commande à une fréquence de pilotage, et un générateur de tension (GENT) comprenant un transistor de commutation (M1) dont l'électrode de commande est reliée à la sortie des moyens de génération et une sortie apte à délivrer un train d'impulsions de tension au résonateur en réponse au train d'impulsions de commande reçues sur l'électrode de commande du transistor de commutation, caractérisé en ce que sur la partie finale (PFi) de chaque train (TRi), les moyens de génération sont configurés pour délivrer les impulsions de commande à une fréquence de pilotage différente de la fréquence de résonance du résonateur. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel sur la partie finale de chaque train les moyens de génération (MGN) sont configurés pour délivrer les impulsions de commande à une fréquence de pilotage supérieure à la fréquence de résonance du résonateur. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le transistor de commutation est passant pendant une durée de fermeture et bloqué pendant une durée d'ouverture, la somme de ces deux durées étant égale à la période de pilotage des impulsions, et les moyens de génération (MGN) sont configurés pour modifier ladite fréquence de pilotage sur la partie finale de chaque train en diminuant la durée de fermeture (Ton2). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel sur la partie finale de chaque train, les moyens de génération (MGN) sont configurés pour modifier la fréquence de pilotage d'une valeur comprise entre 0,5% et 5% de la fréquence de résonance du résonateur. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite partie finale (PFc) de chaque train comporte un nombre d'impulsions compris entre Q/4 et Q, Q étant le coefficient de surtension du résonateur (RS2). 6. Procédé de commande du transistor de commutation d'un générateur de tension destiné à alimenter en tension une bougie de génération de plasma contenant un résonateur inductif capacitif, le procédé comprenant une délivrance de trains successifs (TRi) d'impulsions de commande à une fréquence de pilotage sur l'électrode de commande du transistor de commutation (M1), caractérisé en ce que sur la partie finale (PFi) de chaque train, on désaccorde la fréquence de pilotage de la fréquence de résonance du résonateur. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel sur la partie finale (PFi) de chaque train on augmente la fréquence de pilotage par rapport à la fréquence de résonance du résonateur. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel on augmente ladite fréquence de pilotage sur la partie finale de chaque train en diminuant la durée (Ton2) pendant laquelle le transistor de commutation est passant. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel sur la partie finale (PFi) de chaque train, on décale la fréquence de pilotage d'une valeur comprise entre 0,5% et 5% de la fréquence de résonance du résonateur. 10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel ladite partie finale (PFi) de chaque train comporte un nombre d'impulsions compris entre Q/4 et Q, Q étant le coefficient de surtension du résonateur.