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(11) | EP 0 054 445 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Dispositif électronique de chauffage à induction |
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Dispositif électronique de chauffage à induction, comportant un circuit oscillant comprenant un condensateur et une self qui fait office d'enroulement primaire, l'enroulement secondaire étant constitué par la charge à chauffer. b) Dans ce dispositif, le circuit oscillant (1), est raccordé au circuit d'alimentation (5-6) par deux interrupteurs électroniques, par exemple deux tyristors (7). Ceux-ci sont assujettis à deux circuits de commande (9) les faisant fonctionner à la fréquence de résonnance du circuit oscillant (1) pour s'ouvrir et se fermer n même temps. Or, lors de leur ouverture, ces interrupteurs jouent le rôle d'impédances de très grande valeur, ce qui augmente la fiabilité du présent dispositif. c) Celui-ci peut équiper des appareils de cuisson à usage ménager. |
[0002] Les composants de puissance de tels dispositifs doivent répondre à des critères d'intensité, de vitesse= et de tension relativement severes, ce qui les rend pen couldits et de prin eleve.
[0003] En effet, pour satisfaire aux besoins, par exemple dans le cas d'un appareil de cuisson à induction à vocation ménagère, il faut que; ces composants soient :
a) suffisamment rapides en comnutation pour pouvoir fermer et ouvrir un circuit oscillant â des fréquences de l'ordre de 20 à 40 kHz
b) capables de supporter des intensités élevées, de l'ordre de 40 ampères. en régime permanent (pour une puissance de 2kW induite)
c) susceptibles de supporter, à leurs bornes, des. tensions très élevées de l'ordre de 1000 wolts compte-tenu qu'un circuit résonnant pour un appareil de cuisson à usage ménager développe des tensions de l'ordre de 800 à 900 volts pour un foyer de 2kW alimenté par un réseau de 220 volts.
[0005] Il est par contre-beaucoup plus aisé de trouver sur le marché actuel des composants répondant à deux de ces conditions.
[0006] Le but de la présente invention est donc. d'éliminer l'une de ces trois conditions, en l'occurrence celle relative au fait de pouvoir supporter une tension maximum répétitive à l'état bloqué et ce, de façon à réaliser un dispositif de chauffage à induction, dont la conception est telle que celui-ci présente une très grande fiabilité, malgré les limites de performances des composants électroniques actuellement sur le marché.
[0007] A cet effet, ce dispositif est caractérisé en ce que son circuit oscillant, qui comprend un condensateur et une self en parallèle, est raccordé au circuit d'alimentation par deux interrupteurs électroniques - par exemple deux tyristors - assujettis à un circuit de commande les faisant commuter ensemble, de manière à ce que, lorsque ces deux interrupteurs se ferment, le circuit oscillant se trouve référencé entre ces deux lignes d'alimentation et, par le fait, chargé en énergie.
[0008] Par contre, lorsque les deux interrupteurs sent ouverts, le circuit oscillant, chargé en énergie (et. conparable dans cette phase à un génératour),va trauver à ges bomes deux interrupteurs ouverts, et par suite, se référencer à travers deux très grandes impédances. Ceci aura pour effet que ce circuit aura tendance à se centrer, ou à trouver son équilibre, entre ces deux impédances de grande valeur.
[0009] Du reste, les particularités et avantages du présent dispositif apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante, donnée en référence aux dessins annexés.
[0010] Sur ceux-ci :
La figure 1 est un schéma général d'une forme préférentielle de réalisation du dispositif selon l'invention ;
La figure 2 représente les courbes de variation des tensions aux bornes des deux interrupteurs électroniques, ainsi que la courbe de variation de l'intensité dans la self du circuit oscillant ;
La figure 3 est un schéma général d'une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention.
[0011] Dans l'exemple illustré à la figure 1, le circuit oscillant 1 du dispositif correspondant est constitué par un circuit connu sous l'appellation "circuit bouchon".
[0012] Celui-ci comprend une self plane 2 montée en parallèle avec un condensateur 3, dont les valeurs sont telles que le circuit résonne à la fréquence désirée, par exemple de 25'k.Hertz dans le cas précité d'un appareil ménager. La self 2 fait alors office d'enroulement primaire, le secondaire étant constitué par la charge à chauffer, dans l'appareil correspondant, en l'occurrence un ustensile de cuisson (casserole, poêle, etc...).
[0013] Conformément à la caractéristique essentielle du dispositif selon l'invention, le circuit oscillant 1 est relié aux deux lignes 5 et 6 du circuit d'alimentation par l'intermédiaire de deux interrupteurs électroniques, qui se trouvent donc disposés de part et d'autre de ce circuit oscillant. Dans l'exemple représenté à la figure 1, chacun de ces interrupteurs est constitué par un tyristor 7 avec lequel est montée en anti-parallèle une diode 8 dont le sens de conduction est donc inverse.
[0014] La gachette de chacun des tyristors 7 est reliée à un circuit de commande très simplifié dans l'exemple et désigné parla référence générale- 9. L'agencement de ce circuit est tel que les tyristors fonctionnent à la fréquence de résamance du circuit oscillant 1 en s'ouvrant et en se fermant en même temps. Ce circuit comprend un. oscillateur de comnande 10 de type astable, suivi. d'un, voire de plusieurs, transiston(s) permettant d'obtenir des impulsions de commande compatibles en durée, en polarité et en puissance pour commander correctement les interrupteurs, de puissance.
[0015] Cependant, l'agencement d'un tel circuit n'est pas complet, tel que présenté ci-rlessous. En effet, il faut tenir compte du fait que les interrupteurs de puissance ne se désamorcent pas lorsque l'impulsion sur l'électrode de: commande tombe à zéro volt. Pour attein- dre ce but, il faut inverser la polarité à ses bornes (anode-cathode).
[0016] Le circuit bouchon est tout à fait adéquat pour assurer ce rôle supplémentaire. En effet, les phénomènes, de surtension de tels circuits sent bien connus.
[0017] Cependant, il existe une difficulté due à la faible valeur selfique utilisée (34 µH) dans le présent exemple. En effet, cette faible valeur provoque l'ouverture des tyristors en 2,5 µseccndes, ce qui n'est pas suffisant pour charger correctement le circuit oscillant, en maintenant la fréquence de travail envisagée.
[0018] Cependant, une augmentation de la valeur de la self 2 n'est pas envisageable, car ses dimensions mécaniques deviendraient vite inexploitables et, de plus, il serait difficile de trouver des récipients pouvant s'apairer à la self. Il est donc inutile d'énumérer tou - tes les autres raisons.
[0019] C'est pourquoi, dans le but de conserver une fréquence de rêsonnance de 25 à 30 k.Hz et un temps de conduction des interrupteurs de l'ordre de 10 µseccndes, il est inclus, dans la ligne qui alimente le circuit résonnant, une petite self 13 de 3,5 µHenri dans l'exemple. Cette self peut être constituée de différentes façons, par exemple sur air, sur noyau de différentes formes, ou plus simplement en passant le fil d'alimentation du circuit oscillant dans un tore de bonne valeur.
[0020] Cette petite self a pour effet de ralentir ou plutôt de retarder l'action de la self de chauffe 2, ce qui se traduit par un temps de ccnduction des tyristors de l'ordre de 10 µsecondes dans l'exemple.
[0021] Tout ceci apparaîtra plus clairement en décomposant les- différentes phases de conduction et d'oscillation libre du circuit, lesquelles apparaissent sur les courbes de variation des tensions aux bornes des deux interrupteurs électroniques. Celles-ci sont représentées à la figure 2, sur laquelle :
A est la phase de conduction (interrupteur fermé)
B est la phase de conduction des diodes
C est la phase d'oscillation libre
1. Phase de fermeture des deux interrupteurs-
[0022] Dans cette phase, le circuit oscillant se- charge en énergie à travers les deux tyristors 7 de puissance. Le circuit bouchon se trouve alors normalement référencé entre les lignes 5 et 6 du circuit d'alimentation.
[0025] En effet, les surtensions du circuit bouchon survenant 10 µs après la fermeture des tyristors ont pour effet de polariser en inverse les tyristors, qui se bloquent. Les tensions supérieures aux références sent écoulées par les diodes 8 et le circuit bouchon part en oscillation libre.
[0026] .Dès cet instant, le circuit oscillant (assimilable dans cette phase à un générateur d'énergie) va, pour se référencer, trouver à ses bornes les interrupteurs 7 ouverts. Ces derniers servent donc de référence au circuit oscillant, ce qui a pour effet d'essayer de centrer les tensions aux bornes de ce circuit entre deux très grandes impédances.
[0027] Le centrage exact des tensions est directement lié aux paramètres internes des interrupteurs.
[0028] Aussi, pour éviter un tri des carposants, afin de les apai rer, il est intéressant de monter en parallèle avec chaque tyristor, un condensateur de petite valeur 11 et une résistance 12. Ceci permet d'équilibrer convenablement les tensions aux bornes de chaque tyristor 7.
[0029] En conséquence, chaque interrupteur supporte à ses bornes la moitié de la tension développée par le circuit oscillante soit 300 volts dans l'exemple.
[0030] Il est à remarquer que la tension développée par ce type de circuit oscillant est plus faible que dans d' autres types de circuits oscillants. En l'occurrence, cette-tensicn est de l'ordre de 600 à 700 volts au lieu de 800 à 900 volts.
[0031] Ce fait est dû à la faible valeur selfique 34 µHenri, qui cumule les fonctions d'enroulement primaire et moyen de décharge. Or, cette faible valeur permet d'écouler,plus rapidement que dans d'autres types de circuits,l'énergie emmagasinée dans la capacité 3, d'où des tensions développées plus basses.
[0032] D'autre part, le fait que les tyristors ne voient que la demi-tension présente aux bornes du circuit oscillant, offre de multiples avantages, dont les principaux sont :
1. En conservant des tyristors de mêmes caractéristiques que sur un montage à un interrupteur (tenue en tension 1000 V), ce nouveau système offre une marge de sécurité pour une. tension de 1400 V dans l'exemple.
2. La marge de sécurité de tension peut être réduite en augmentant la tension d'alimentation si l'on désire augmenter la puissance.
3. Il est possible, en gardant une marge raisonnable de sécurité de tension (600 V par exemple) d'utiliser des tyristors moins performants en tension.
4. Il est évidemnent toujours possible, pour augmenter la puissance, de multiplier le nombre de paires de tyristors par montage.
[0033] La conception particulière du dispositif selon l'invention multiplie donc largement les coefficients de sécurité, puisque les tensions aux bornes des interrupteurs sont divisées par deux.
[0034] Il faut également observer que cette conception a pour avantage d'éliminer les inconvénients habituels des dispositifs électroniques de chauffage par induction, parmi lesquels les risques d'emballement thermique des composants actifs (interrupteur de puissance). En effet, dans ce cas de figure, un interrupteur protège efficacement l'autre, sachant que les composants ne sont jamais parfaitement identiques, et de plus, jamais exposés aux mêmes températures.
[0035] D'autre part, les courants de fuite sont diminués par le montage de deux interrupteurs, ce qui offre une bonne garantie contre l'emballement thermique.
[0036] Mais, ainsi qu'il a déjà été indiqué, le principal avantage du dispositif selon l'invention réside dans le fait que, pour un même voltage du circuit oscillant, la marge de sécurité tension des interrupteurs électroniques se trouve considérablement augmentée.
[0037] Cependant, il va de soi que le dispositif selon l'invention n'est pas limité au seul exemple préférentiel décrit ci-dessus. Ainsi, le circuit oscillant de ce dispositif peut être réalisé différemment.. D'autre part, les tyristors de puissance pourraient être remplacés par des transistors de puissance, moyennant quelques retouches inhérentes au matériel employé.
par deux interrupteurs électraniques- par exemple deux tyristors (7) - assujettis à deux circuits de commande (9) les faisant fonctionner à la fréquence de résonnance du circuit oscillant (2-3) pour s'ouvrir et se fermer en même temps, ces interrupteurs jouant le rôle d'impédances de très grande valeur lors de leur ouverture.