Brevet FR2003868A1 — publié le 19691114

î 2003868 la présente invention concerne an procédé pour le montage en parallèle d'éléments à semi-conducteurs, en particulier de diodes résistants aux chocs de tension, avec des valeurs différentes de la tension d'avalanche. 5 Pour l'alimentation de grandes installations de re dresseurs, par exemple pour électrolyse, ou du type stationnai-re pour chemins de fer, on utilise aujourd'hui presque exclusivement des éléments redresseurs électroniques se présentant sous la forme de diodes au silicium. 10 Ces éléments présentent cependant certaines particula rités, dont il est nécessaire de tenir compte pour leur utilisation dans des installations de redresseurs pour courants forts. Lorsqu'elle est soumise à une tension inverse, du fait même de son utilisation, une diode redresseuse ne doit prati-15 quément pas laisser passer dé courant (c'est-à-dire qu'elle ne doit laisser passer qu'un courant très faible). Avec les redresseurs à semi-conducteurs, cette condition n'est remplie que jusqu'à une valeur limite déterminée (souvent variable d'un é-lément à l'autre) de la tension inverse, tandis que, si cette 20 limite est dépassée, un courant intense prend brusquement naissance. On ne s'étendra pas davantage ici sur le mécanisme physique de cet "effet d'avalanche", qui est connu, les conditions sont néanmoins tout à fait comparables avec les phénomènes "d'amorçage" (ionisation) de décharges dans les gaz» Dans les dio-25 des au silicium (du fait des influences thermiques toujours présentes) les porteurs de charge libres ("trous" positifs, c'est-à-dire atomes résiduels, dont les charges positives du. noyau peuvent agir du fait de l'absence d'un ou de plusieurs é-lectrons de leur enveloppe) sont alors accélérés par le champ 50 électrique inverse de forte valeur à des énergies tellement é-levées, qu'ils peuvent "éjecter" d'autres porteurs libres de la structure réticulaire cristalline du semi-conducteur. Ceux-ci, accélérés à leur tour, libèrent d'autres porteurs libres et ainsi de suite» Il se produit donc un accroissement quasi exponen-35 tiel du nombre des poiteurs libres, et cette multiplication des porteurs conduit en définitive à un "claquage par effet d'avalanche", au cours duquel, du fait du transport de charges réalisé par les porteurs libres, des courants considérables peuvent traverser la jonction pn de la diode, polarisée par une ten-40 sion inverseo 06966 2 2003868 Dans 3es utilisations des diodes au silicium pour le redressement, il faut tout particulièrement tenir compte de ce phénomène (diodes soumises à une tension alternative). Il faut par conséquent, afin d'éviter un claquage par effet d'avalanche, 5 utiliser dans la mesure du possible des éléments ayant une valeur élevée de la tension d'avalanche ; il faut d'autre part di-ciensionner les diodes de manière que, même si la tension d'avalanche se trouve dépassée pendant de courts instants, elles ne soient pas endommagées par le courant "de claquage" qui prend 10 alors naissance. Les diodes dites à avalanche contrôlée existant actuellement dans le commerce sont dimensionnées pour des tensions de crête périodiques pouvant atteindre jusqu'à 2600 T. Intrinsèquement, ces diodes peuvent être soumises périodiquement à des ten-15 s ions atteignant la valeur d'avalanche Dans les grandes installations cependant, les diodes à avalanche contrôlée ne peuvent assumer à elles seules la protection contre les surtensions. Pour éviter de surcharger certaines diodes, il faudrait d'ailleurs assurer une bonne répartition du 20 courant inverse, ce qui nécessiterait encore des dispositifs coEiteux. On peut cependant éviter ces surtensions en utilisant des limiteurs de tension (parafoudres) relativement simples sur le secondaire du transformateur de redresseur. Une protection contre les surtensions est également 25 nécessaire à cause des surtensions provoquées par l'effet de persistance des porteurs. En cas d'inversion brusque du potentiel existant aux bornes d'une diode conduisant dans le sens^/di-rect , les porteurs de charges libres encore présents dans la couche limite de la jonction pn ne peuvent se dissiper immé-30 diatement, de sorte que pendant un court instant il peut encore passer un courant (courant inverse), qui , du fait de la résorption des porteurs de charges retombe brusquement à la valeur très faible du courant inverse statique. Du fait de cette brusque variation du courant (effet de persistance des porteurs), il 3 5 apparaît une tension élevée dans les inductances du circuit, et cette tension doit être limitée à une valeur admissible à l'aide d'un "shuntage" de l'élémento Lorsque l'on utilise un grand nombre de diodes au silicium montées en parallèle, à la fin de la commutation il se 40 produit un échelonnement dans le temps de l'interruption des 69 06966 3 2003868 courants inverses. La répartition du courant est alors déterminée essentiellement par les inductances, car les différences entre les chutes de tension directes ne jouent qu'un rôle secondaire, et il est évident que ces inductances ont une in-5 fluence particulièrement sensible lorsque la variation de courant est la plus grande, c'est-à-dire pendant la commutation. Pour la protection contre les surtensions dues à l'effet de persistance des porteurs, on peut shunter chaque diode au silicium avec un condensateur individuel qui court-cir-10 cuite les surtensions au moment de l'interruption du courant inverse. Du fait de l'échelonnement dans le temps de l'interruption du courant, il n'est cependant pas économique d'affecter à chaque diode un condensateur (ou d'utiliser un condensateur de shuntage commun en parallèle sur l'ensemble des diodes, 15 avec une capacité augmentée en conséquence) ; les diodes qui conduisent encore agissent en fait comme un shuntage ("court-cireuit'') pour les éléments qui se rebloquent en dernier, de sorte que pour le shuntage de l'ensemble il suffit d'utiliser an condensateur plus petit, et de le placer à l'endroit oii se 20 trouvent les diodes qui se rebloquent en dernier» Or celles-ci sont, comme on peut aisément s'en rendre compte, celles qui, dans le sens direct, sont parcourues par le courant moyen le plus faible, de sorte qu'il suffit de déterminer la répartition du courant dans le sens direct, en effectuant des mesures, et 25 de placer le condensateur de shuntage commun à l'endroit où. le courant moyen de diode est le plus faible» Il a- été admis jusqu'à présent, avec les diodes dites à avalanche contrôlée (en raison de l'influence de l'inductance des connexions) qu'on ne pouvait en général se passer de condensateurs de shuntage que 30 s'il n'y avait pas de groupement en parallèle (c'est-à-dire, par exemple, lorsque des diodes étaient connectées en série). La présente invention donne maintenant une possibilité de montage en parallèle de diodes à semi-conducteurs (ou d'autres éléments à semi-conducteurs qui, sollicités par une 35 tension inverse, sont susceptibles de claquer par effet d'avalanche, des thyristors par exemple), sans adjonction de condensateurs de shuntage, et d'économiser ainsi la dépense non négligeable pour le condensateur, son fusible de protection, et le montage de l'ensemble* 69 06966 + 2003868 Selon la présente invention, ce résultat est obtenu en ce que, pour réduire la sollicitation des éléments, on choisit les tensions d'avalanche des différents éléments de manière que les éléments qui ont la tension d'avalanche la^plas 5 élevée - c'est-à-dire ceux oïi, la fin de la commutation, le courant inverse se coupe en dernier - soient disposés aux points où la valeur du courant direct est la plus faible,, La présente invention utilise ainsi le fait que,comme on l'a mentionné plus haut, lorsque de nombreux éléments sont 10 montés en parallèle, il est possible de prévoir l'élément dans lequel le courant inverse se coupe en dernier. La figure 1 montre comment évolue en principe le courant dans deux diodes montées en parallèle, pendant la période initiale de commutation, pendant la période de conduc-15 tion proprement dite et pendant la période de commutation qui met fin à la conduction. Pendant la période de commutation ini-• tiale, lors de l'établissement du courant et où. par conséquent la variation de courant est grande, c'est l'influence des inductances qui est prédominante ; mais après l'établissement du 20 courant, pendant la période de conduction proprement dite, les différences qui existent entre les courants se compensent en partie. Pendant la commutation qui met fin à la conduction, la baisse du courant jusqu'à zéro, puis son interruption, se produisent le plus rapidement et en premier dans les éléments dont 25 la charge moyenne est la plus grande» Les éléments, où les pointes de courant inverse seront les plus fortes, seront done situés (ainsi qu'on l'a déjà constaté) là où la courbe de répartition du courant direct passe par son minimum. Après l'interruption du courant inverse dans le der— 30 nier élément qui se rebloque, la tension qui apparaît sur la branche du montage redresseur peut monter au delà de la tension d'avalanche des diodes. Les éléments qui se rebloquent en dernier peuvent, il est vrai, renvoyer partiellement le fort courant inverse aux éléments voisins, ils sont malgré cela solli-35 cités par de fortes pointes de puissance. Grâce au choix des tensions d'avalanche effectué conformément à la présente invention, les éléments dont la tension d'avalanche est la plus élevée étant placés aux endroits où le courant direct est le plus faible, on peut maintenir dette pointe de puissance à une 69 06966 5 2003868 valeur faible, on peut même obtenir que, dans les éléments les plus sollicités du point de vue des pointes de puissance, il ne passe aucun courant d'avalanche* le courant résulte a-lors de l'effet des porteurs de charge minoritaires (charge 5 d'espace) qui parviennent dans la couche limite pendant le phénomène de reblocage (rupture du courant). la figure 2 montre à titre d'exemple, avec deux éléments à avalanche contrôlée non shuntés et montés en parallèle, comment la pointe de courant inverse dans l'élément 1 qui se 10 bloque le dernier, peut être renvoyée plus ou moins vite sur l'élément 2. Pour l'explication de la figure, précisons d'abord la légende ci-dessous ï Dans les schémas du montage en parallèle, représentés à droite, on a désigné respectivement par U-^ et Ug les 15 tensions d'avalanche, par i-^ et ±2 le courant direct,dans l'élément (1) qui se bloque le dernier et l'élément 2 qui se bloque le premier ; R est la résistance différentielle interne des éléments dans le sens de conduction inverse. En outre i représente la valeur maximale du courant inverse dans l'élément 1 20 et dans la branche du montage redresseur, iz le courant inverse dans la branche du montage redresseur, i la forme na- a turelle du courant dans l'élément à semi-conducteur au moment de la coupure (qui ne détermine aucune chute de tension aux bornes de la résistance différentielle interne R ). 25 les diagrammes représentés à gauche montrent les conditions pour les cas A ïï-l = U2 , B U1 ^ U2 , - 30 0 \ >02 • 9 06966 6 2003868 RETEIDICAIIOI Procédé pour le montage en parallèle d'éléments à semi-conducteurs dits à avalanche contrôlée, en particulier de diodes avec des valeurs différentes de la tension d'avalanche, caractérisé en ce qu'en vue de réduire la sollicitation des 5 éléments et en se dispensant d'utiliser des condensateurs de shuntage, on choisit les tensions d'avalanche des différents éléments de manière que les éléments ayant la tension d'avalanche la plus élevée - c'est-à-dire ceux où. le courant s'interrompt en dernier, à la fin de la période de commutation qui met 10 fin à la période de conduction,— sont disposés aux endroits où le courant direct présente les valeurs les plus faibles0