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EP0705528B1 - Generateur de haute tension - Google Patents

Generateur de haute tension Download PDF

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Publication number
EP0705528B1
EP0705528B1 EP94920496A EP94920496A EP0705528B1 EP 0705528 B1 EP0705528 B1 EP 0705528B1 EP 94920496 A EP94920496 A EP 94920496A EP 94920496 A EP94920496 A EP 94920496A EP 0705528 B1 EP0705528 B1 EP 0705528B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
primary
transformer
voltage generator
windings
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94920496A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0705528A1 (fr
Inventor
Gilbert Dauge
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Moulinex SA
Original Assignee
Moulinex SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Moulinex SA filed Critical Moulinex SA
Publication of EP0705528A1 publication Critical patent/EP0705528A1/fr
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/66—Circuits
    • H05B6/666—Safety circuits

Definitions

  • the present invention relates to a generator high voltage intended to supply at least a payload of the unidirectional type such that, for example, a magnetron or an electron tube and comprising a step-up transformer comprising a primary stage connected to a primary circuit, and a secondary stage having a winding connected to a secondary circuit comprising the load of use, said primary circuit being connected to an energy source electric and comprising electronic switching means so as to supply said transformer with high frequency current.
  • the primary stage of the transformer comprises first and second windings, mounted in a serial link having an intermediate socket and two end sockets, the primary circuit being connected directly to the intermediate socket.
  • the object of the present invention is the realization of a transformer of a reduced price, which is perfectly suited for use in a generator high voltage for microwave oven and susceptible mass production.
  • the primary circuit is connected to one of the two end taps via said switching means, a capacity connecting the two end sockets so as to produce, with the first and second windings, an oscillating circuit.
  • the generator uses a transformer series resonance whose operation is particularly suitable for a primary circuit comprising means switches consisting of IGBT type switches (Anglo-Saxon initials set for "Insulated Gate Bipolar Transistor ”) or MCT (Anglo-Saxon initials set for "Multiple Collector Transistor).
  • IGBT type switches Anglo-Saxon initials set for "Insulated Gate Bipolar Transistor ”
  • MCT Anglo-Saxon initials set for "Multiple Collector Transistor
  • the high-voltage generator is intended for supplying one or possibly several loads of the unidirectional type such as, for example, a microwave oven magnetron or an electronic tube, and comprises a step-up transformer comprising, as we can see in Figure 1, a primary stage E 1 connected to a primary circuit CP and a secondary stage E 2 having a winding L 3 connected to a secondary circuit S 0 , S 1 comprising the load of use, said circuit primary CP connecting the primary stage E 1 of the transformer T to a source of electrical energy B 0 , B i and comprising switching means K so as to supply the transformer T with high frequency current.
  • a step-up transformer comprising, as we can see in Figure 1, a primary stage E 1 connected to a primary circuit CP and a secondary stage E 2 having a winding L 3 connected to a secondary circuit S 0 , S 1 comprising the load of use, said circuit primary CP connecting the primary stage E 1 of the transformer T to a source of electrical energy B 0 , B i and comprising switching
  • a series resonance transformer i.e. a transformer with self leakage inductance on a capacity, generally presents itself as an element of type inductive for low frequencies and resonant type when the frequency rises.
  • Such an element results from the association of a perfect transformer TP, with a self-inductance L and a capacity C.
  • the primary stage E 1 of the transformer T comprises a first and a second winding L 1 , L 2 , the primary circuit being connected on the one hand to the first winding L 1 and, on the other hand, by l intermediary of a capacity C, at the second winding L 2 , said second winding L 2 being mounted in series with the first winding L 1 at the terminals of the capacity C, so as to produce an oscillating circuit.
  • a transformer having a primary winding provided with an intermediate socket PI and a socket at each end.
  • the primary circuit connects an end socket and the intermediate socket PI to the energy source B 0 , B 1 and the two end sockets are connected together by the capacitor C.
  • the inductances of the two windings L 1 and L 2 constituted respectively by the winding on either side of the intermediate tap, are in series in the oscillating circuit which includes the capacity C.
  • the high frequency resonant transformer series incorporates the self L and the transformer TP on the same magnetic circuit and thanks to a particular geometrical arrangement of the windings on the magnetic circuit is carried out between the windings couplings adapted to the operation of the load of use likely to be powered.
  • Such a transformer consists of three coil carcasses assembled and remains particularly expensive, especially in a mass production application.
  • FIGS. 2 and 3 which are embodiments of transformers according to the invention show a transformer T consisting of a ferrite 1, a carcass 2 comprising coils 3, 4 and 5 carrying the so-called primary windings L 1 and L 2 and a secondary winding L 3 .
  • An arrangement of the windings L 1 and L 2 in an embodiment as shown schematically in Figure 2 results in a relatively weak coupling between the windings L 1 and L 2 .
  • the two windings of the primary stage have a mutual coupling coefficient, or degree of coupling, between 0.5 and 0.7 and have values of substantially equal self-inductance. With such values of the coupling coefficient, we reach a coefficient effective coupling of the order of 0.9.
  • the secondary circuit including a load of use can be realized according to several variants. Two particularly interesting versions for feeding a magnetron are illustrated in Figures 5 and 6.
  • the secondary circuit comprises rectifying means.
  • the use load U has two supply terminals M 1 , M 2 connected, on the one hand, to a first terminal N 1 of the secondary winding L 3 , respectively by two diodes D 1 and D 2 polarized so opposite to each other, and, on the other hand, to a second terminal N 2 of the secondary winding L 3 respectively by two capacitors C 1 and C 2 .
  • the circuit comprises a magnetron M directly connected to the terminals of the secondary winding L 3 and a filtering capacity connected in parallel to the terminals of the magnetron.
  • the capacitor Cf represented in FIG. 6 and which is connected in parallel to the magnetron M in fact represents the association of several capacitors, in particular of filtering capacitors and of capacitors internal to the magnetron.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Control Of High-Frequency Heating Circuits (AREA)

Description

La présente invention se rapporte à un générateur de haute tension destiné à l'alimentation d'au moins une charge d'utilisation du type unidirectionnel telle que, par exemple, un magnétron ou un tube électronique et comprenant un transformateur élévateur de tension comportant un étage primaire connecté à un circuit primaire, et un étage secondaire présentant un enroulement connecté à un circuit secondaire comprenant la charge d'utilisation, ledit circuit primaire étant relié à une source d'énergie électrique et comportant des moyens de commutation électronique de manière à alimenter ledit transformateur en courant haute fréquence.
L'étage primaire du transformateur comprend un premier et un second enroulements, montés en une liaison série présentant une prise intermédiaire et deux prises d'extrémité, le circuit primaire étant relié directement à la prise intermédiaire.
Un tel générateur de haute tension est connu par le brevet EP 389 047.
On connaít des générateurs où un circuit résonnant est réalisé autour d'un circuit comprenant une self et une capacité et relié au primaire du transformateur. Une telle réalisation est particulièrement désavantageuse, notamment du point de vue du coût et en raison de la multiplicité des circuits magnétiques.
On connaít aussi des générateurs où sur la même ferrite du transformateur on réalise un second enroulement secondaire relié par ses bornes à une capacité de manière à réaliser un circuit d'accord de résonance série.
La réalisation de tels transformateurs se heurte à un certain nombre de difficultés tenant notamment aux exigences d'une bonne isolation de l'étage haute tension et à la réalisation de bobines permettant un couplage étroit entre l'étage primaire et l'enroulement du circuit de résonance.
Pour éviter la saturation de la ferrite du transformateur par le fait d'une induction trop forte, on est amené à augmenter la taille des ferrites et le nombre de spires de l'enroulement primaire. Par ailleurs, on essaie d'avoir pour le transformateur lui-même une self de fuite petite devant la self dite de magnétisation.
Toutes ces contraintes, liées à la nécessité d'un bon couplage du transformateur contribuent à augmenter la taille et le prix de ce composant.
Le but de la présente invention est la réalisation d'un transformateur d'un prix réduit, qui soit parfaitement adapté à une utilisation dans un générateur de haute tension pour four à micro-ondes et susceptible d'une fabrication en grande série.
Selon l'invention, le circuit primaire est relié à l'une des deux prises d'extrémités via lesdits moyens de commutation, une capacité reliant les deux prises d'extrémité de manière à réaliser, avec les premier et second enroulements, un circuit oscillant.
Grâce à l'invention, on obtient un excellent couplage, particulièrement entre le premier enroulement primaire et le circuit résonnant résultant, ainsi qu'une self de fuite faible devant la self de magnétisation.
Les caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
  • la figure 1 est une vue du schéma électrique du transformateur et du circuit résonnant selon l'invention,
  • les figures 2 et 3 sont des vues en coupe de différentes géométries de réalisation d'un transformateur selon l'invention,
  • la figure 4 est un schéma équivalent d'un transformateur à résonance du type connu,
  • les figures 5 et 6 sont des vues schématiques de deux variantes de réalisation du circuit secondaire dans un générateur selon l'invention.
Le générateur fait appel à un transformateur à résonance série dont le fonctionnement est particulièrement adapté à un circuit primaire comprenant des moyens de commutation constitués de commutateurs du type IGBT (initiales anglo-saxonnes mises pour "Insulated Gate Bipolar Transistor") ou MCT (initiales anglo-saxonnes mises pour "Multiple Collector Transistor).
Le générateur de haute tension est destiné à l'alimentation d'une ou éventuellement plusieurs charges du type unidirectionnel telle que, par exemple, un magnétron de four à micro-ondes ou un tube électronique, et comprend un transformateur élévateur de tension comportant, comme on peut le voir à la figure 1, un étage primaire E1 connecté à un circuit primaire CP et un étage secondaire E2 présentant un enroulement L3 connecté à un circuit secondaire S0,S1 comprenant la charge d'utilisation, ledit circuit primaire CP reliant l'étage primaire E1 du transformateur T à une source d'énergie électrique B0,Bi et comportant des moyens de commutation K de manière à alimenter le transformateur T en courant haute fréquence.
On connaít des générateurs comprenant des transformateurs à résonance parallèle où les commutateurs, en parallèle avec une diode, et montés dans le circuit primaire, réalisent une commutation dite à zéro tension. Néanmoins lors de l'ouverture du commutateur, il persiste une "queue de courant" due à des porteurs minoritaires et qui entraíne une dissipation de chaleur non négligeable dans ces composants. Dans un générateur avec transformateur à résonance série, on réalise une commutation dite à zéro courant, et on évite cet inconvénient.
Un transformateur à résonance série, c'est-à-dire un transformateur à self inductance de fuite sur une capacité, se présente en général comme un élément de type inductif pour les basses fréquences et de type résonnant lorsque la fréquence s'élève.
Un tel élément, comme schématisé à la figure 4, résulte de l'association d'un transformateur parfait TP, d'une self-inductance L et d'une capacité C.
Selon l'invention, l'étage primaire E1 du transformateur T comprend un premier et un second enroulement L1,L2, le circuit primaire étant relié d'une part au premier enroulement L1 et, d'autre part, par l'intermédiaire d'une capacité C, au second enroulement L2, ledit second enroulement L2 étant monté en série avec le premier enroulement L1 aux bornes de la capacité C, de manière à réaliser un circuit oscillant.
Avantageusement, on pourra recourir à un transformateur présentant un enroulement primaire muni d'une prise intermédiaire PI et d'une prise à chaque extrémité. Le circuit primaire relie une prise d'extrémité et la prise intermédiaire PI à la source d'énergie B0,B1 et les deux prises d'extrémités sont reliées entre elles par la capacité C. Ainsi, les inductances des deux enroulements L1 et L2, constitués respectivement par l'enroulement de part et d'autre de la prise intermédiaire, sont en série dans le circuit oscillant qui comporte la capacité C.
Le transformateur haute fréquence à résonance série selon l'invention intègre la self L et le transformateur TP sur le même circuit magnétique et grâce à une disposition géométrique particulière des enroulements sur le circuit magnétique on réalise entre les enroulements des couplages adaptés au fonctionnement de la charge d'utilisation susceptible d'être alimentée.
Dans la réalisation d'un circuit résonnant à partir d'une self L et d'un condensateur C, pour un transformateur T d'un générateur de haute tension pour un four à micro-ondes, il est nécessaire de remplir certaines conditions et notamment :
  • l'enroulement de l'étage secondaire du transformateur doit se comporter comme un circuit selfique, notamment lorsqu'il est relié à des moyens de redressement comportant par exemple des diodes, de manière à limiter les contraintes sur les diodes ;
  • la self L servant à réaliser le circuit oscillant doit être assez fortement couplée avec la self de l'enroulement primaire du transformateur T ;
  • la valeur de la self de l'étage primaire doit être assez faible mais l'enroulement primaire doit cependant présenter un nombre de tours assez grand en raison notamment de l'induction maximale admissible, avant saturation du circuit magnétique ;
  • l'enroulement secondaire doit enfin être géométriquement séparé, particulièrement pour assurer une bonne isolation de la haute tension de l'étage secondaire.
Pour obtenir un bon couplage entre les différents enroulements, notamment entre l'enroulement primaire et l'enroulement de la self L du circuit d'accord, une solution serait de réaliser les enroulements sur des bobines cylindriques coaxiales.
Un tel transformateur est constitué de trois carcasses de bobines assemblées et reste particulièrement coûteux, surtout dans une application de grande série.
Conformément à l'invention , on pourra encore réaliser les deux enroulements des étages primaire et secondaire sur une seule carcasse, comme cela est illustré à la figure 2 et à la figure 3.
Les représentations schématiques des figures 2 et 3 qui sont des réalisations de transformateurs selon l'invention montrent un transformateur T constitué d'une ferrite 1, d'une carcasse 2 comprenant des bobines 3, 4 et 5 portant les enroulements dits primaires L1 et L2 et un enroulement secondaire L3.
Une disposition des enroulements L1 et L2 dans une réalisation telle que représentée schématiquement à la figure 2 entraíne un couplage relativement faible entre les enroulements L1 et L2. Pratiquement, il est difficile de dépasser un coefficient de couplage de l'ordre de 0,7.
Néanmoins, le fait d'avoir selon l'invention une partie commune entre le circuit primaire et le circuit résonnant constitué de la capacité C et des enroulements L1 et L2 entraíne le couplage effectif élevé entre le "primaire" vu entre les bornes B0 et B1 et la self-inductance L1 + L2 du circuit résonnant.
Les deux enroulements de l'étage primaire ont un coefficient de couplage mutuel, ou degré de couplage, compris entre 0,5 et 0,7 et présentent des valeurs de self-inductance sensiblement égales. Avec de telles valeurs du coefficient de couplage, on atteint un coefficient de couplage effectif de l'ordre de 0,9.
Le circuit secondaire comprenant une charge d'utilisation peut être réalisé selon plusieurs variantes. Deux versions particulièrement intéressantes pour l'alimentation d'un magnétron sont illustrés aux figures 5 et 6.
Selon une première version (fig. 5), le circuit secondaire comprend des moyens de redressement. La charge d'utilisation U présente deux bornes M1,M2 d'alimentation reliées, d'une part, à une première borne N1 de l'enroulement secondaire L3, respectivement par deux diodes D1 et D2 polarisées de façon opposée l'une par rapport à l'autre, et, d'autre part, à une seconde borne N2 de l'enroulement secondaire L3 respectivement par deux capacités C1 et C2.
Dans une deuxième version, plus simple encore, le circuit comprend un magnétron M directement branché aux bornes de l'enroulement secondaire L3 et une capacité de filtrage branchée en parallèle aux bornes du magnétron. La capacité Cf représentée à la figure 6 et qui est branchée en parallèle au magnétron M représente en fait l'association de plusieurs capacités, notamment de capacités de filtrage et de capacités internes au magnétron.
Ainsi, grâce à l'invention, il est possible d'avoir un bon couplage entre l'enroulement primaire du transformateur et le circuit résonnant tout en rendant possible une géométrie de réalisation des bobines particulièrement simple.
De surcroít, une induction modérée dans le circuit magnétique évite sa saturation trop rapide et permet de recourir à des ferrites de taille relativement modeste.

Claims (7)

  1. Générateur de haute tension destiné à l'alimentation d'au moins une charge d'utilisation du type unidirectionnel telle que, par exemple, un magnétron ou un tube électronique et comprenant un transformateur (T) élévateur de tension comportant un étage primaire (E1) connecté à un circuit primaire (CP), et un étage secondaire (E2) présentant un enroulement (L3) connecté à un circuit secondaire (S0,S1) comprenant la charge d'utilisation, ledit circuit primaire (CP) reliant l'étage primaire (E1) du transformateur (T) à une source d'énergie électrique (B0,B1) et comportant des moyens de commutation (K) de manière à alimenter le transformateur en courant haute fréquence,
    l'étage primaire (E1) du transformateur (T) comprenant un premier et un second enroulements (L1,L2) montés en une liaison série présentant une prise intermédiaire (PI) et deux prises d'extrémités, le circuit primaire (CP) étant relié, d'une part, directement à la prise intermédiaire caractérisé en ce que le circuit primaire est relié, d'autre part, à l'une des prises d'extrémités via lesdits moyens de commutation (K), et en ce qu'une capacité (C) relie les deux prises d'extrémités de manière à réaliser, avec le premier et le second enroulements, un circuit oscillant.
  2. Générateur de haute tension selon la revendication 1,
    caractérisé en ce que les deux enroulements de l'étage primaire ont un coefficient de couplage mutuel compris entre 0,5 et 0,7 et présentent des valeurs de self-inductance sensiblement égales.
  3. Générateur de haute tension selon la revendication 1 ou 2,
    caractérisé en ce que les deux enroulements des étages primaire et secondaire sont réalisés sur une seule carcasse.
  4. Générateur de haute tension selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que le circuit secondaire comprend en outre des moyens de redressement.
  5. Générateur de haute tension selon la revendication 4,
    caractérisé en ce que la charge d'utilisation (U) présente deux bornes d'alimentation (M1,M2) reliées, d'une part, à une première borne (N1) de l'enroulement secondaire (L3) par respectivement deux diodes de redressement (D1,D2) polarisées de façon opposée l'une par rapport à l'autre, et, d'autre part, à une seconde borne (N2) de l'enroulement secondaire (L3) respectivement par deux capacités (C1,C2).
  6. Générateur de haute tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
    caractérisé en ce que le circuit secondaire comprend une capacité de filtrage branchée en parallèle aux bornes d'un magnétron.
  7. Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que les moyens de commutation sont des commutateurs du type IGBT ou MCT.
EP94920496A 1993-06-22 1994-06-21 Generateur de haute tension Expired - Lifetime EP0705528B1 (fr)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9307565 1993-06-22
FR9307565A FR2707052B1 (fr) 1993-06-22 1993-06-22
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EP0705528A1 EP0705528A1 (fr) 1996-04-10
EP0705528B1 true EP0705528B1 (fr) 1998-02-11

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