Brevet FR3012252A1 — publié le 20150424

Dispositif d'inductance Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne un dispositif d'inductance du type de celui utilisé dans des équipements électroniques de puissance, en particuliers ceux destinés à être embarqués dans des aéronefs. Dans la plupart des équipements électroniques de puissance, l'utilisation d'inductance est nécessaire soit en tant qu'élément de filtrage de mode différentiel dans un convertisseur (onduleur, redresseur actif, etc.), soit en tant que composant de stockage d'énergie adapté à la topologie d'un convertisseur (boost, buck, etc.). Les inductances de filtrage en mode commun ne sont pas concernées par la présente invention. Les dispositifs d'inductance sont généralement lourds et encombrants et représentent une part significative de la masse globale de l'équipement. En effet, les composants ou dispositifs d'inductance de mode différentiel sont dimensionnés par rapport au niveau de courant continu (DC) ou basse fréquence qui les traverse, ce qui conduit à un dimensionnement important des éléments constitutifs du dispositif d'inductance, en particulier le circuit magnétique et le bobinage associé. Pourtant, dans la plupart des cas, ces dispositifs d'inductance ne sont pas utilisés dans cette gamme de basses fréquences. En outre, l'action de ces dispositifs à basses fréquences peut même constituer un inconvénient. Dans le domaine aéronautique, la masse des équipements électroniques de puissance est un élément critique. Dans le cadre des programmes de développement d'avions toujours plus électriques, les 30 équipements électroniques de puissance utilisant des dispositifs d'inductance sont de plus en plus nombreux. Objet et résumé de l'invention 35 Il est donc souhaitable de pouvoir proposer un dispositif d'inductance présentant une masse et un encombrement réduits, et ce tout en étant apte à agir sur des courants et tensions aux fréquences de travail utiles. A cet effet, selon l'invention, il est proposé un dispositif d'inductance comprenant au moins un premier enroulement, dit enroulement principal, bobiné autour d'un circuit magnétique, ledit premier enroulement étant destiné à recevoir en entrée une tension alternative avec ou sans composante continue ou une tension continue comportant une ou plusieurs composantes alternatives, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de compensation comprenant un deuxième enroulement, dit enroulement secondaire, couplé magnétiquement avec le premier enroulement et un générateur de courant piloté relié au deuxième enroulement, ledit générateur de courant piloté étant configuré pour alimenter le deuxième enroulement avec un courant de compensation apte à créer un flux magnétique s'opposant au flux magnétique créé par le premier enroulement pour des fréquences inférieures ou égales à une fréquence déterminée, dite fréquence de coupure. Ainsi, le dispositif d'inductance de l'invention peut être dimensionné pour un fonctionnement uniquement à des fréquences supérieures à une fréquence déterminée, ce qui permet de réduire la masse et l'encombrement globaux du dispositif et, par conséquent, de l'équipement de puissance auquel il est intégré. Grâce à la présence du circuit de compensation, le flux magnétique créé par l'enroulement principal est annulé, ou du moins réduit à une valeur négligeable, pour tout signal de courant inférieur à la fréquence déterminée. Par conséquent, le dispositif d'inductance de l'invention, bien que non dimensionné pour ces basses fréquences, ne perturbe pas le fonctionnement de l'équipement auquel il est associé, les signaux continus et basses fréquences traversant le dispositif sans être affectés. Selon un mode de réalisation du dispositif d'inductance de l'invention, celui-ci comprend un capteur de courant apte à mesurer le courant traversant l'enroulement principal et un filtre passe-bas interposé entre le capteur de courant et le générateur de courant piloté du circuit de compensation, le filtre passe-bas ayant une fréquence de coupure égale à la fréquence déterminée, ledit générateur de courant piloté étant commandé par le signal de commande délivré par le filtre passe-bas. Selon un autre mode de réalisation du dispositif d'inductance de l'invention, celui-ci comprend un capteur magnétique apte à mesurer le flux magnétique dans le circuit magnétique et un circuit de contrôle interposé entre le capteur magnétique et le générateur de courant du circuit de compensation, le circuit de contrôle délivrant audit générateur de courant piloté, et pour des fréquences inférieures ou égales à la fréquence déterminée (fréquence de coupure), un signal de commande correspondant au courant de compensation. Cela permet une mesure précise du flux magnétique à compenser et une réduction optimale de l'encombrement et de la masse du dispositif d'inductance. Dans le cas de l'utilisation d'un capteur de flux magnétique, celui-ci est de préférence logé dans un entrefer partiel ménagé dans le circuit magnétique, ce qui permet de ne pratiquement pas augmenter la reluctance du circuit magnétique et d'éviter ainsi une augmentation du nombre de spires des enroulements. Selon une autre caractéristique particulière du dispositif d'inductance de l'invention, l'enroulement secondaire comprend un nombre de spires supérieur au nombre de spires de l'enroulement principal, ce qui permet de limiter les pertes dans le circuit de compensation et, par conséquent, la taille du circuit de compensation. Selon encore une autre caractéristique particulière du dispositif d'inductance de l'invention, celui-ci comprend une sortie recopiant le signal de commande délivré au générateur de courant piloté. Dans ce cas, le dispositif d'inductance de l'invention peut être en outre utilisé comme capteur de courant dans une gamme de fréquences inférieures à la fréquence déterminée (fréquence de coupure), ce signal de commande du générateur étant l'image du courant circulant dans l'enroulement principal. L'invention a également pour objet un circuit électronique de filtrage destiné à filtrer un signal de tension entre une source de tension et une charge, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'inductance selon l'invention. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, 5 donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif d'inductance conformément à un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif 10 d'inductance conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, la figure 3 est une vue schématique d'un dispositif d'inductance selon une variante de réalisation du dispositif d'inductance de la figure 2, les figures 4A, 4B et 4C sont des courbes de mesure 15 respectivement de l'induction présente dans l'enroulement principal et du courant et de la tension circulant dans une charge selon un premier exemple d'un circuit convertisseur DC/DC ne comprenant pas de dispositif d'inductance selon l'invention, les figures 5A, 5B, 5C et 5D sont des courbes de mesure 20 respectivement de l'induction présente dans l'enroulement principal, du courant et de la tension circulant dans une charge et du courant de compensation utilisé dans un circuit de compensation selon un deuxième exemple d'un circuit convertisseur DC/DC comprenant un dispositif d'inductance selon l'invention. 25 Description détaillée de modes de réalisation La présente invention propose un dispositif d'inductance qui 30 peut être utilisé notamment, mais non exclusivement, dans des équipements électriques ou électroniques embarqués dans des aéronefs. Le dispositif d'inductance selon l'invention est adapté et dimensionné pour être capable de filtrer les composantes du courant traversant l'enroulement principal ayant des fréquences supérieures à une fréquence 35 déterminée. Comme expliqué ci-après en détails, le dispositif d'inductance de l'invention est remarquable en ce qu'il est apte à compenser le flux magnétique créé par l'enroulement principal pour des fréquences inférieures ou égales à une fréquence déterminée. Le dispositif d'inductance de l'invention est notamment adapté pour fonctionner avec des sources de tension hachée ou découpée et des sources de tension continue comportant un certain nombre de composantes alternatives ayant des fréquences et des amplitudes quelconques. Un dispositif d'inductance 100 conforme à un mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 1. Le dispositif d'inductance 100 est ici placé entre une source de tension 10 (tension découpée ou tension continue avec composantes alternatives) et une charge 11. Le dispositif d'inductance 100 comprend un premier enroulement ou enroulement principal 111 bobiné autour d'un circuit magnétique 112, le premier enroulement 111 et le circuit magnétique 112 formant un composant de filtrage 110 destiné à lisser le courant alternatif délivré par la source 10 à la charge 11 pour des fréquences supérieures à une fréquence déterminée Fai. Conformément à l'invention, le dispositif d'inductance comprend en outre un circuit de compensation 120 comprenant dans l'exemple décrit ici un capteur de courant 121, un filtre passe-bas 122, un générateur de courant piloté 123 et un second enroulement ou enroulement secondaire 124 bobiné autour du circuit magnétique 112, les premier et deuxième enroulements 111 et 124 étant couplées magnétiquement. Le capteur de courant 121 permet de mesurer le courant i délivré par la source 10 à l'enroulement principal 111 correspondant au courant de puissance délivré à la charge 11. Le courant mesuré est alors filtré par le filtre passe-bas 122 dont la fréquence de coupure Fc correspond à la fréquence déterminée Fdl. La source 10 peut comporter à la fois des composantes ayant des fréquences supérieures à Fdl et des composantes ayant des fréquences inférieures à Fe. Le composant de filtrage 110 et le circuit de compensation 120 fonctionnant simultanément, le générateur de courant piloté 123 ne reçoit de signal de commande en courant Sci du capteur 121 que si le courant mesuré comporte une ou plusieurs composantes ayant une fréquence inférieure ou égale à la fréquence déterminée Fai. Lorsque le courant i délivré par la source 10 a une fréquence inférieure ou égale à la fréquence déterminée Fai, un signal Sci équivalent au courant mesuré est délivré au générateur de courant piloté 123 qui injecte dans le second enroulement 124 du circuit de compensation 120 un courant de compensation ICOMP1, le second enroulement créant alors un flux magnétique FCOMP1 qui s'oppose au flux magnétique FP1 créé par le premier enroulement 111 puisque les premiers et deuxième enroulements 111 et 124 sont couplés magnétiquement. La figure 2 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif d'inductance selon l'invention. Sur la figure 2, un dispositif d'inductance 200 comprend, entre une source de tension 20 (tension découpée ou tension continue avec composantes alternatives) et une charge 21, un composant de filtrage 210 destiné à lisser le courant alternatif délivré par la source 20 à la charge 21 pour des fréquences supérieures à une fréquence déterminée Fd2, le composant de filtrage étant constitué d'un premier enroulement ou enroulement principal 211 bobiné autour d'un circuit magnétique 212. Le dispositif d'inductance 200 diffère du dispositif d'inductance 100 déjà décrit en ce que le courant de compensation délivré par le générateur de courant piloté est déterminé directement à partir du flux magnétique mesuré dans le circuit magnétique 212 et non à partir d'une mesure extérieure de courant comme dans le dispositif d'inductance 100. A cet effet, le circuit de compensation 220 du dispositif d'inductance 200 comprend un capteur de flux magnétique 221, par exemple une sonde à effet Hall, qui mesure en permanence le flux magnétique FP2 dans le circuit magnétique. Dans l'exemple décrit ici, le capteur de flux magnétique 221 est placé au niveau d'un entrefer 225 présent dans le circuit magnétique 212. Le circuit de compensation comprend en outre un amplificateur 226, un filtre correcteur 222, un générateur de courant piloté 223 et un second enroulement ou enroulement secondaire 224 bobiné autour du circuit magnétique 212. Le filtre correcteur 222 reçoit le signal de flux mesuré par le capteur 221 et transmet en réponse au générateur de courant piloté 223 un signal de commande Sc2 qui correspond à l'image du courant de compensation IcoMP2 à injecter dans l'enroulement secondaire. La source 20 peut comporter à la fois des composantes ayant des fréquences supérieures à Fd2 et des composantes ayant des fréquences inférieures à Fd2. Le composant de filtrage 210 et le circuit de compensation 220 fonctionnant simultanément, le filtre correcteur 222 est configuré pour que la fréquence de coupure de l'ensemble de la boucle d'asservissement assurant la compensation ne transmette le signal de commande Sc2 que pour des signaux de flux magnétique comportant une ou plusieurs composantes à une fréquence inférieure ou égale à la fréquence déterminée Fd2. Lorsque le filtre correcteur 222 transmet le signal de commande Sc2 au générateur de courant piloté 223, celui-ci injecte dans l'enroulement secondaire 224 du circuit de compensation 220, un courant de compensation ICOMP2, l'enroulement secondaire créant alors un flux magnétique FCOMP2 qui s'oppose au flux magnétique FP2 créé dans par l'enroulement principal 211 puisque les premier et deuxième enroulements 211 et 224 sont couplés magnétiquement. L'utilisation d'un capteur de flux magnétique pour la compensation du flux magnétique en-dessous d'une fréquence déterminée permet une mesure précise du flux magnétique à compenser et, par conséquent, un contrôle très précis du générateur de courant piloté. Dans le cas d'une mesure de courant externe comme dans le dispositif d'inductance 100, la précision de la mesure peut être variable dans certains cas et conduire à injecter dans l'enroulement secondaire un courant de compensation ne permettant pas d'annuler complètement le flux magnétique créé par l'enroulement principal. Une sortie, tel qu'un connecteur 230 par exemple, peut en outre être prévue au niveau de la ligne de transmission du signal Sc2 au générateur de courant piloté 223. Le signal de commande Sc2 étant l'image du courant circulant dans l'enroulement principal 211 pour des fréquences inférieures ou égales à la fréquence déterminée Fa, le dispositif d'inductance 200 peut également jouer le rôle de capteur de courant pour des dispositifs externes pour autant que la limitation de la mesure du courant à des fréquences inférieures ou égales à Fd2 ne soit pas un obstacle. Selon une variante de réalisation représentée en figure 3, un dispositif d'inductance 300 diffère du dispositif d'inductance 200 de la figure 2 en ce que le capteur de flux magnétique 321 est ici logé dans un entrefer partiel 325 ménagé dans le circuit magnétique 312. Lorsque la fente formant l'entrefer traverse entièrement le circuit magnétique comme dans le dispositif d'inductance 200 de la figure 2, la reluctance du circuit magnétique devient plus élevée, ce qui nécessite d'augmenter le nombre de spires de l'enroulement principal afin d'obtenir la même valeur d'inductance que celle obtenue avant la création de l'entrefer. En revanche, si l'entrefer est partiel et forme un logement juste à la taille du capteur, comme dans le dispositif d'inductance 300 de la figure 3, la reluctance du circuit magnétique n'est pratiquement pas altérée par cet entrefer partiel de sorte que le nombre de spires de l'enroulement principal est moins important que dans le cas d'un entrefer total dans le circuit magnétique. Le dispositif d'inductance 300 comprend également, entre une source de tension 30 (tension découpée ou tension continue avec composantes alternatives) et une charge 31, un composant de filtrage 310 destiné à lisser le courant alternatif délivré par la source 30 à la charge 31 pour des fréquences supérieures à une fréquence déterminée Fd3, le composant de filtrage étant constitué d'un premier enroulement ou enroulement principal 311 bobiné autour d'un circuit magnétique 312, ainsi qu'un circuit de compensation 320 comprenant, en outre du capteur 321, un amplificateur 326, un filtre correcteur 322, un générateur de courant piloté 323 et un second enroulement ou enroulement secondaire 324 bobiné autour du circuit magnétique 312. Ces éléments sont identiques dans leur structure et leur fonctionnement à ceux déjà décrits en relation avec le dispositif d'inductance 200 et ne sont pas décrits ici une nouvelle fois par souci de simplification. Lorsque le filtre correcteur 322 transmet le signal de commande Sc3 au générateur de courant piloté 323, celui-ci injecte dans l'enroulement secondaire 324 du circuit de compensation 320 un courant de compensation ICOMP3, l'enroulement secondaire créant alors un flux magnétique FCOMP3 qui s'oppose au flux magnétique FP3 créé dans l'enroulement principal 311 puisque les premier et deuxième enroulements 311 et 324 sont couplés magnétiquement. Une sortie, tel qu'un connecteur 330 par exemple, peut en outre être prévue au niveau de la ligne de transmission du signal Sc3 au générateur de courant piloté 323. Le signal de commande Sc3 étant l'image du courant circulant dans l'enroulement principal 311 pour des fréquences inférieures ou égales à la fréquence déterminée Fd3, le dispositif d'inductance 300 peut également jouer le rôle de capteur de courant pour des dispositifs externes pour autant que la limitation de la mesure du courant à des fréquences inférieures ou égales à Fd3 ne soit pas un obstacle. L'effet du principe de compensation du flux magnétique à basse fréquence de l'invention peut être illustré avec l'exemple d'un convertisseur DC/DC de type abaisseur de tension (BUCK). Dans le premier cas illustré dans les figures 4A à 4C, le convertisseur de tension DC/DC ne comprend pas de circuit de compensation comme dans la présente invention. Le convertisseur DC/DC comporte un circuit de lissage constitué, de façon classique, d'un enroulement principal placé en série avec une charge résistive, ainsi qu'une capacité disposée en parallèle de la charge. La tension d'entrée du convertisseur DC/DC est fixée à 540 Vdc et la tension de sortie désirée est de 270 Vdc. Le rapport cyclique du convertisseur est donc de 50%. La charge résistive est fixée à 0,54 ohms, ce qui correspond à un courant moyen dans celle-ci de 500 A. les interrupteurs de puissance découpant la tension d'entrée sont simulés par une source de tension rectangulaire à rapport cyclique de 50% et à une fréquence de 10 KHz. Le taux d'ondulation de tension maximal sur la charge est fixé à 10% de la tension d'entrée. Dans ce premier cas, le circuit magnétique associé à l'enroulement principal comporte un entrefer et est constitué d'un matériau amorphe (alliage fer) présentant un haut niveau d'induction de saturation (1,56 Tesla). En outre, l'enroulement principal comporte 4 spires correspondant à une valeur d'inductance de l'ordre de 12 pH (sous faible champ). Dans les conditions de tension et de courant indiquées ci-avant, le circuit magnétique sature à 1,5 Tesla, comme le montre la courbe de la figure 4A et le circuit de lissage ne remplit pas correctement sa fonction. En effet, comme on peut le voir sur les courbes de mesures de tension et de courant de la charge des figures 4B et 4C respectivement, les créneaux de tension à 540 V se retrouvent pratiquement intégralement sur la charge. Cela montre que le composant inductif formé par l'enroulement principal et le circuit magnétique est sous-dimensionné. Une étude complémentaire montre qu'il serait nécessaire, dans ce cas, d'augmenter la taille du circuit magnétique d'un facteur 10 pour réduire l'amplitude de l'ondulation de courant dans la charge à 10°/0 de sa valeur moyenne. Dans un second cas, on utilise le même circuit de convertisseur DC/DC auquel on associe un circuit de compensation du même type que celui de la figure 2, à savoir un dispositif ? comprenant un capteur de flux magnétique, un amplificateur, un filtre correcteur, un générateur de courant piloté et un enroulement secondaire couplée magnétiquement avec l'enroulement principal du circuit de lissage. L'enroulement principal comporte dans ce deuxième exemple 20 spires correspondant à une valeur d'inductance de 300 pH. Le comportement de ce circuit de lissage à flux magnétique compensé, dans les mêmes conditions de tension et de courant que dans le premier exemple décrit ci-avant, est illustré sur les courbes des figures 5A à 5D. Au départ, le courant de compensation ICOMP dont la variation est illustrée en figure 5D n'est pas suffisant et le circuit magnétique sature légèrement comme indiqué au début de la courbe de la figure 5A. Puis, l'asservissement ajuste progressivement le courant de compensation de façon à annuler le flux moyen permettant au circuit magnétique de ne plus saturer, la valeur crête de l'induction restant inférieure à 0,5 Tesla comme indiqué sur la figure 5A. Le circuit de lissage remplit alors correctement sa fonction car l'ondulation de courant sur la charge reste inférieure à 10% de sa valeur moyenne comme on peut le voir sur les courbes de mesures de tension et de courant de la charge des figures 5B et 5C. Le dispositif d'inductance selon l'invention peut être utilisé dans de nombreux circuits électroniques tels que des convertisseurs de tension 30 continue/continue (DC/DC), des convertisseurs de tension alternative/continue (AC/DC), des convertisseurs de tension continue/alternative (DC/AC) et tout circuit de filtrage de source d'alimentation. REVENDICATIONS1. Dispositif d'inductance (100) comprenant au moins un premier enroulement (111) bobiné autour d'un circuit magnétique (112), ledit premier enroulement (111) étant destiné à recevoir en entrée une tension alternative avec ou sans composante continue ou une tension continue comportant une ou plusieurs composantes alternatives, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de compensation (120) comprenant un deuxième enroulement (124) couplé magnétiquement avec le premier enroulement (111) et un générateur de courant piloté (123) relié au deuxième enroulement (124), ledit générateur de courant piloté (123) étant configuré pour alimenter le deuxième enroulement avec un courant de compensation (Icompi) apte à créer un flux magnétique (Fcompi) s'opposant au flux magnétique (Fpi) créé par le premier enroulement (111) pour des fréquences inférieures ou égales à une fréquence déterminée (Fdi). 2. Dispositif d'inductance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de courant (121) apte à mesurer le courant traversant le premier enroulement (111) et un filtre passe-bas (122) interposé entre le capteur de courant (121) et le générateur de courant piloté (123) du circuit de compensation (120), le filtre passe-bas (122) ayant une fréquence de coupure égale à la fréquence déterminée (Fm), ledit générateur de courant piloté (123) étant commandé par un signal de commande (Sci) délivré par le filtre passe-bas (122). 3. Dispositif d'inductance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur magnétique (221) apte à mesurer le flux magnétique (FP2 - FcoMP2) dans le circuit magnétique (212) et un circuit de contrôle (222) interposé entre le capteur magnétique (221) et le générateur de courant piloté (223) du circuit de compensation (220), le circuit de contrôle (222) délivrant audit générateur de courant piloté (223) et pour des fréquences inférieures ou égales à la fréquence déterminée (Fd2) un signal de commande (Sc2) correspondant au courant de compensation (IcoMP2). 4. Dispositif d'inductance selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur magnétique (321) est logé dans un entrefer partiel (325) ménagé dans le circuit magnétique (312). 5. Dispositif d'inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le deuxième enroulement (124 ; 224 ; 324) comprend un nombre de spires supérieur au nombre de spire du premier enroulement (111 ; 211 ; 311). 6. Dispositif d'inductance selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une sortie (130 ; 230 ; 330) apte à permettre le captage du signal de commande (SC1 ; SC2 ; SC3) délivré au générateur de courant piloté (123 ; 223 ; 323). 7. Circuit électronique de filtrage destiné à filtrer un signal de tension entre une source de tension et une charge, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'inductance (100 ; 200 ; 300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.