Brevet FR2041130A1 — publié le 19710129

i 2041130 La présénte invention se rapporte aux circuits de commutation et plus particulièrement aux circuits de commutation du type à commutation forcéeo 5 Un dispositif à commutation forcée, comparé à un dis positif à commutation naturelle, est un dispositif dans lequel les dispositifs interrupteurs, tels que thyristors ou redresseurs contrôlés au silicium, sont amenés dans leur état non conducteur par un circuit de commutation distinct de ces dispositifs. Un 10 type de circuit à commutation forcée, pour choppers ou convertisseurs à thyristors, utilise à la fois des composants capacitifs et inductifs, qui sont utilisés en combinaison pour réaliser la commutation forcée0 La fonction principale des composants capacitifs est d'emmagasiner de l'énergie qui est utilisée ensuite 15 pour alimenter la charge durant la commutation„ Les composants inductifs sont utilisés pour éviter la décharge rapide des condensateurso Une autre technique classique est l'utilisation des composants inductifs et capacitifs sous forme d'un circuit résonnant, de manière que, grâce à line action oscillante, ces 20 composants soient impliqués de manière active dans le processus de commutation. Les dimensions et le poids des composants inductifs rendent une telle conception peu favorable dans les applications aéronautiques et sous-marines. Dans un convertisseur typique utilisant la commutation forcée, la moitié du poids to-25 tal peut être dûe aux inductances de commutation0 Un autre type de circuit à commutation forcée n'utilise pas d'éléments inductifs mais nécessite un chemin séparé de charge pour les capacités de commutation utilisées» Ce chemin séparé de charge comporte- des composants résistifs qui donnent 30 naissance à des pertes d'énergie importantes et qui limitent sévèrement le rendement du circuito D'une manière générale, la présente invention apporte ~ un circuit de commutation dans lequel la commutation des éléments interrupteurs commandés est réalisée sans nécessiter de compo-35 sants inductifs lourds, ni de composants résistifs dissipant une partie de l'énergie,, La Fig„ 1 est un diagramme schématique d'un chopper 70 12132 2 2041130 utilisant les enseignements de la présente invention; La Fig. 2 est un diagramme de forme d'onde utilisée dans l'explication du fonctionnement du circuit de la Fig. 1; La Fig» 3 est un diagramme schématique d'un circuit 5 d'un chopper utilisant une autre forme de la présente invention; La Fig0 4 est un diagramme schématique d'un convertisseur utilisant les enseignements de la présente invention» En se référant à la Fig. 1, on voit vin circuit de chopper dans lequel une charge Z est- alimentée à partir d'une lO batterie E, à travers une paire de dispositifs interrupteurs de puissance commandés, Spl et Sp2, qui peuvent être constitués par des thyristors, des redresseurs contrôlés au silicium, ou d'autres dispositifs équivalentso En débloquant les dispositifs Spl et Sp2, un circuit série est créé, comprenant la batterie E et 15 l'impédance de charge Z, cette impédance étant représentée sous la forme d'une résistance R et d'une inductance L, qui représente de façon typique l'inductance inhérente à la charge Z0 Les dispositifs de puissance Spl et Sp2 doivent être choisis pour pouvoir acheminer le courant de charge désiré i^ sous la tension 20 employée dans la configuration particulière de circuito En se référant au diagramme de forme d'onde de la Fig„ 2, et supposant qu'un instant antérieure à l'instant tl les deux dispositifs de puissance Spl et Sp2 soient conducteurs; la courbe A de la Fig. 2 représente la tension aux bornes du dis— 25 positif de puissance Spl« Comme le dispositif Spl est dans son état conducteur à cet instant, seule une faible chute de tension dûe à la chute directe dans la jonction, va apparaître», Une chute de tension sensiblement égale apparaît aux bornes du dispositif Sp20 La tension aux bornes de l'impédance de charge Z sera 30 donc sensiblement la tension E de la batterie, ainsi que le représente la courbe B de la Fig. 20 La courbe C de la Fig0 2 représente le courant dans la charge i^ qui augmente graduellement quand on se rapproche de l'instant tl» Le condensateur C, aux instants antérieurs à l'instant tl, est chargé comme l'indique 35 la Fig0 1 et la courbe D de la Fig„ 2, à une tension sensiblement égale à celle de la batterie E„ Le circuit de commutation de la Fig. 1 comporte une 70 12132 3 2041130 paire de dispositifs'de commutation commandés Sel, Sc2, le condensateur de commutation C et une paire d'éléments uni-directionnels Dl et D2 représentés sous la formé de diodes Dans le but de commuter un dispositif de puissance Spl à l'instant tl, le dispositif de commutation Sel est débloqué, fournissant ainsi un trajet conducteur entre' la batterie E, le 20 circuit anode-cathode du dispositif de commutation Sel, le condensateur C, la diode Dl, l'impédance de charge Z et le dispositif de puissance Sp20 Avec le condensateur C chargé comme l'indique la Fig0 1, et se trouvant en série avec la charge Z, la tension aux bornes de la charge Z va alors sauter à une va-25 leur essentiellement égale à 2E comme l'indique la courbe B de la Fig„ 20 Le dispositif interrupteur de puissance Spl va ainsi avoir une tension négative entre cathode anode, c'est-à-dire que ce dispositif se trouve polarisé en inverse, ce qui provoque son 30 blocage^ La polarisation inverse de -E aux bornes du dispositif de puissance Spl est représentée sur la courbe A de la Fig0 2o Durant l'intervalle de temps entre tl et t2, la capacité C se charge avec une polarité opposée, sa borne gauche devenant maintenant positive, à travers le dispositif de commuta-35 tion Sel, la diode Dl, la charge Z et le dispositif de puissance Sp20 A l'instant t2, ainsi qu'on le voit sur la courbe D de la Fig0' 2, le condensateur va être chargé sous la tension -Ec A cet 70 12132 4 2041130 instant, le courant de charge i^ continue sur sa lancée à travers les diodes Dl et D2 avec une tension aux bornes de la charge Z, représentée sur la courbe B de la Fig,, 2, égale à la chute de tension directe des deux diodes Dl et D2. Ceci permet 5 au dispositif de commutation Sel et au dispositif de puissance Spl de récupérer et de se retrouver dans leur état bloqué afin de pouvoir réagir au cycle suivant» Le dispositif de puissance Spl est polarisé en inverse, jusqu'à ce que la tension du condensateur C atteigne O entre les instants tl et t2o Si le 10 condensateur C est dimensionné correctement, ce temps est suffisamment long pour assurer le blocage du dispositif de puissance Splo La tension aux bornes du dispositif 4e puissance Spl augmente alors pour être polarisée en direct sous la tension de batterie E, de l'instant t2 à l'instant t3 pour lequel les deux 15 dispositifs de" puissance Spl et Sp2 sont passants,, L'intervalle de temps t2-t3 est choisi de façon appropriée pour obtenir la tension moyenne de charge désiréeo Pour réaliser la commutation du dispositif de puissance Sp2 à l'instant t4, le dispositif 'de commutation commandé Sc2 20 est amorcée Cet amorçage provoque l'application d'une polarisation inverse aux bornes du dispositif de puissance Sp20 Le condensateur C avec sa borne gauche positive, est connecté à travers le dispositif de commutation Sc2 en série avec la charge Z, puis déchargé à travers elle, le condensateur C se chargeant, 25 avec la polarité représentée sur la Fig» 1, à travers l'impédance de charge Z et la diode D2o Lorsque le condensateur C s'est chargé sous la tension de batterie E, le dispositif de commutation Sc2 va revenir au repos, le courant de charge continuant sur sa- lancée à travers les diodes D2 et Dlo Le circuit de com-30 mutation est ainsi restauré pour le cycle de commutation suivant, pour lequel le dispositif de puissance Spl va être bloqué par l'amorçage du dispositif de commutation Sel, comme on l'a décrit précédemment^. Le circuit de la Fige 1 permet ainsi la commutation 35 des dispositifs interrupteurs de puissance Spl, Sp2, sans nécessiter d'inductance d'isolement ou d'inductance de commutation» Le condensateur de commutation C est connecté aux bornes des 70 12132 5 2041130 dispositifs interrupteurs de puissance respectifs, dans le but de les bloquer, tout en étant également placés en série avec la charge Z, pour être ainsi rechargé avec la polarité opposée, pour assurer le fonctionnement durant le cycle de commutation 5 suivant» Le circuit de la Fig„ 1 ne nécessite pas non plus de résistance de charge séparée pour le condensateur de commutation C, réalisant ainsi un circuit chopper à haut rendement» La Fig<> 3 représente une autre forme de la présente invention employée dans un circuit de chopper dans lequel un 10 seul dispositif interrupteur de puissance commandé Spo est utilisée Ce dispositif unique est connecté en série entre la batterie E et la charge Z, de manière qu'un courant de charge i^ circule à travers l'impédance de charge Z0 Le circuit de commutation pour le dispositif de puissance Spo est représenté sous la forme 15 de quatre dispositifs interrupteurs commandés Sca, Sca', Scb, Scb,o Les anodes des dispositifs Spo, Sca et Scb sont reliées entre elles et les cathodes des dispositifs Spo, Scb' et Sca' sont reliées entre elles» Le condensateur de commutation C est connecté entre les points communs cathode—anode des dispositifs 20 Sca—Scb* et Scb—Sca®» Une diode de récupération Do est connectée aux bornes de l'impédance Z, sa cathode étant reliée à la cathode du dispositif de puissance SpoQ On supposera que la capacité C est chargée avec la polarité indiquée sur la Fig» 3, approximativement sous la ten-25 sion de batterie E. Lorsque le dispositif de puissance Spo est conducteur, le courant dans la charge i^ sera fourni à travers lui à partir de la batterie E0 Pour bloquer le dispositif de puissance Spo, les dispositifs de commutation Scb et Scb® sont amorcéso Ceci connecte la capacité de commutation C directement 30 aux bornes des électrodes anode et cathode du dispositif de puissance Spo dont la cathode- est rendue positive par rapport à l'anode en raison de la polarité de la charge du condensateur Co Le dispositif de puissance Spo sera ainsi bloqué en raison de la polarisation inverse. La capacité C va se décharger à travers le 35 dispositif de commutation Scb et Scb' et l'impédance de charge Z, puis se recharger à partir de-la batterie E à travers les dispositifs de commutation Scb et Scb' avec une polarité opposée, 70 12132 e 2041130 de manière que sa borne inférieure va maintenant être positive,, Lorsque le condensateur C est complètement chargé sous approximativement la tension de batterie E, le courant dans la charge iL va continuer sur sa lancée à travers la diode Do, la tension 5 aux bornes de la charge étant réduite sensiblement à O® La tension est rétablie sur la charge en débloquant le dispositif de puissance Spo pour le nouveau cycle de fonctionnemento Le circuit de commutation étant établi pour la nouvelle opération de commutation, les dispositifs de commutation Sca et Sca1 sont 10 débloqués, ce qui applique une tension inverse sur le dispositif de puissance Spo à partir de la capacité de commutation C ce qui bloque le dispositif de puissance Spo.' La capacité C se recharge à travers le dispositif de commutation Sca et Sca* et la charge Z avec la polarité indiquée sur la Fig® 3, les disposi-15 tifs Sca et Sca* récupérant lorsque la capacité C s'est chargée à une tension sensiblement égale à la tension E, rétablissant ainsi le circuit de commutation dans son état initialo Le courant continue sur sa lancée à travers la diode Do avec la tension de charge tombant à O et le circuit chopper étant alors prêt pour 20 le nouveau cycle d'excitation,, Le circuit de la Fig. 3 nécessite un seul dispositif interrupteur de puissance Spo, qui doit être choisi pour écouler le courant de charge total, mais nécessite quatre dispositifs de commutation auxiliaires. Le circuit de la Fig. 1 nécessite 25 seulement 4 dispositifs commutateurs dont deux doivent écouler la puissance maximale. Les caractéristiques des dispositifs de commutation dans chacun des circuits dépendent de la fréquence de commutation» Si une fréquence de commutation faible est utilisée^ le circuit de la Fig. 3 se montrera plus économique puisque qua-30 tre dispositifs de commutation à caractéristiques relativement faibles peuvent être utilisés avec l'unique dispositif à forte puissance Spo. Cependant, pour des fréquences de commutation élevées, la Fig„ 1 peut être plus économique puisque seulement deux dispositifs de commutation à haute fréquence sont nécessai-35 res pour le fonctionnement à haute fréquence,, La Fig. 4 montre le circuit de commutation de la Fig.l, utilisé dans un circuit convertisseur tri-phaséo Le circuit 70 12132 7 2041130 convertisseur triphasé est connecté dans un réseau en pont classique et comprend des dispositifs interrupteurs commandés SAl, SA2, SBl, SB2, SCI, SC20 Les anodes des éléments de pont SAl, SBl, et SCI, sont reliées à une ligne B+ qui est reliée à 5 la cathode du dispositif de ligne d'alimentation,Spl. Les cathodes des éléments de pont SA2, SB2, SC2, sont reliées à une ligne B- connectée à l'anode.du dispositif de ligne d'alimentation Sp2o Une charge triphasée est prévue, comportant les éléments d'impédance Z&, Z^, Zc, ayant l'une des extrémités reliées 10 entre elles, et les autres extrémités étant connectées respectivement aux bornes Ta, Tb, Tc0 Les bornes Ta, Tb, et Te sont connectées aux points de jonction des cathodes et des anodes des dispositifs interrupteurs commandés SA1-SA2, SB1-SB2, SCl-SC20 Une pluralité de dispositifs de commutation commandés de réac-15 tion SA2', SAl', SB2', SBl*, SC2' et SCI', sont prévus et sont respectivement associés avec les dispositifs interrupteurs du pont SAl, SA2, SBl, SB2, SCI, SC20 Les anodes des éléments de retour SAl«, SBl' et SCI' sont connectées entre elles et à la borne négative de la batterie E, alors que les cathodes des élé-2D ments de retour SA2*, SB2' et SC2' sont connectées à l'électrode positive de la batterie Eo Les points de jonction cathode-anode des éléments de retour SAl'-SA2«, SB1»-SB2», SC1«-SC2», sont respectivement reliés aux bornes Ta, Tb, Te» Le circuit convertisseur qu'on vient de décrire est classique sauf que des élé-25 ments interrupteurs de retour SAl1, SA21, SBl', SB2>, SCI', SC2* sont utilisés au lieu de diodes de réaction conventionnelleso Par l'utilisation d'interrupteurs commandés tels que des redresseurs commandés au silicium ou des thyristors, à la place de diodes, pour écouler la puissance réactive et le courant de 30 circulation, un chemin de décharge en court-circuit pour la capacité de commutation C à travers un dispositif d'interrupteur contrôlé en pont et le dispositif complémentaire de réaction (par exemple SAl et SA2") est supprimé. Pour accomplir ceci, les interrupteurs commandés du pont sont débloqués pour la période 36 de conduction complète désirée, sauf pendant le temps court pour lequel les dispositifs de commutation commandés respectifs Sel ou Sc2, sont passants« A ces instants, l'interrupteur 12132 8 2041130 commandé de retour (ayant la même désignation, mais primée) est également débloqué à l'aide d'une impulsion brève. Le résultat de ceci est que le dispositif de retour peut remplacer la conduction d'un dispositif en.pont, mais qu'un élément de pont ne peut pas venir en conduction par l'allumage d'un dispositif de;commutation Sel ou Sc2 lorsque le dispositif complémentaire ou le dispositif associé est conducteur, ce qui provoquerait autrement une décharge en court-circuit du condensateur de commutation C. En se référant maintenant à la Fig. 5 qui est un diagramme des formes d'ondes indiquant les séquences d'amorçage des différents interrupteurs commandés, utilisés dans le circuit de la Fig. 4 et des tensions de sortie développées aux bornes Ta, Tb et Te, un exemple particulier du mode de fonctionnement du circuit de la Fig. 4 va être décrit. A l'instant tl (Fig. 5) les dispositifs de lignes d'alimentation Spl et Sp2 sont conducteurs en mêiâe temps que les •éléments de pont SAl, SB2 et SCI, de telle sorte qu'un chemin de courant est constitué à travers ces éléments de pont vers les éléments d'impédance Za, Zb et Zc."A l'instant t2, il est nécessaire de commuter l'élément de pont SAl» Dans ce but, les impulsions d'amorçage sont supprimées sur le dispositif d'alimentation Spl, l'élément de pont SAl et pour un petit intervalle de temps sur l'élément de pont Sel. A l'instant t2 également, le dispositif de commutation Sel est débloqué ainsi que les dispositifs de réaction complémentaire SAl' et SC1« par des impulsions à faible espacement, ainsi que l'indique la séquence d'amorçage de la Fig0 5o Le dispositif de puissance d'alimentation Spl est pratiquement instantanément bloqué par la polarisation inverse fournie par le 'condensateur de commutation C qui a été préalablement chargé comme l'indique la Figc 40 Le courant circule dans la ligne B+ de façon temporaire, à travers le dispositif de commutation Sel et le condensateur de commutation C. On.doit noter que si le signal de porte a été maintenu sur 1'élément de pont SCI, à cet instant, le condensateur C peut se décharger instantané*-ment-à travers les dispositifs SCI, SC2' et Sel, ce qui, daEns certains caSj ne permet pas d'inverser la polarisation sur le dispositif d'alimentation Spl durant un temps suffisamment long 70 12132 9 2041130 pour le ramener au repos0 II est par conséquent souhaitable dans la plupart des cas, de prendre la précaution de supprimer des impulsions de porte sur le dispositif SCl pendant un court intervalle de tempso On'a noté également que le dispositif de re-5 tour SA21 associé à l'élément de pont SA2 est bloqué durant cette période de temps pour éviter un court-circuit de la capacité Co Lorsque la tension du condensateur s'est complètement inversée dans le sens d'une polarité opposée à celle indiquée 10 sur la Fig„ 4, le courant dans la borne Ta transite vers le dispositif de retour SAl', qui a été amorcé à l'instant t2o L'élément de pont SAl est ainsi commuté et le circuit de commutation est restauré pour le prochain intervalle de commutation. Le dispositif de ligne d'alimentation Spl est réamorcé et l'impulsion 15 de porte réappliqué sur l'élément de pont SCl. Ceci rétablit alors les conditions de fonctionnement du convertisseur jusqu'à l'instant t3„ A l'instant t3, l'élément de pont SA2 est débloqué et est prêt à remplacer la conduction du dispositif de retour SAl1 20 lorsque le courant à travers l'élément d'impédance Za s'inverse» A l'instant t4, l'impulsion de porte est supprimée sur le dispositif de ligne d'alimentation Sp2 et sur les éléments SB2 et SA20 Une courte impulsion de porte est fournie au dispositif de commutation Sc2 pour commuter le dispositif de ligne 25 d'alimentation Sp2, l'élément de pont SB2 étant également commuté à cet instant. A l'instant t4, les dispositifs de réaction - SB2* et SA2* sont également amorcés avec une impulsion courte, dans le but de permettre l'écoulement de la puissance réactive à travers eux, vers la source E. Le condensateur de commutation 30 C se charge à travers le dispositif de commutation Sc2 et la charge, à une polarité telle que l'indique la Fig» 4, le circuit de commutation étant ramené aux conditions initiales pour l'intervalle de commutation suivant, ainsi qu'on l'a décrit précédemment o 35 Le circuit de commutation tel qu'il est employé dans la Fig0 4 est opérationnel pour commuter les dispositifs de ligne d'alimentation Spl et Sp2, aussi bien que les divers éléments 70 12132 10 2041 130 de pont SAl, SA2, SBl, SB2, SCl et SC2, de manière que les tensions triphasées VAB, VBC et VCA, soient développées comme l'indiquent les diagrammes de tension de sortie de la Fig» 50 Bien que la présente invention ait été décrite avec 5 une certaine particularité, on doit comprendre que la présente description a été donnée à titre d'exemple seulement, et que de nombreuses variantes dans les détails de réalisation, la combinaison et la disposition des éléments de circuit, peuvent être réalisées sans s'écarter de l'esprit et du domaine de la ■30 présente invention o 70 12132 ii 2041130 REVENDICATIONS lo- Un circuit destiné à l'alimentation d'une charge à partir d'une source de tension continue et comportant au moins un dispositif interrupteur de puissance connecté de façon opé-5 rationnelle entre cette source et cette charge afin d'alimenter cette charge lorsqu'il est conducteur, dans lequel un circuit de commutation est prévu, comprenant : un condensateur de commutation pouvant être chargé suivant une première ou une seconde polarité; des premiers moy ens ^ co^i|>r en an t un premier dispositif 10 interrupteur de commutation/et un premier dispositif unidirectionnel pour connecter sélectivement le condensateur chargé sous la polarité aux bornes du dispositif interrupteur de puissance qui se trouve dans 1'état conducteur lorsque le dispositif de commutation commandé est amorcé dans le but de commuter le dis-15 positif de puissance conducteur, le condensateur.se chargeant alors sous la seconde polarité en réponse à l'amorçage du premier dispositif de commutation commandé; et des deuxièmes moyens comprenant ion deuxième dispositif de commutation contrôlé et un-deuxième dispositif unidirectionnel pour connecter sélectivement 20 le condensateur chargé sous la deuxième polarité aux bornes du dispositif de puissance dans l'état conducteur, lorsque ce deuxième dispositif de commutation commandé est amorcé dans le but de bloquer le dispositif de puissance conducteur, le condensateur se chargeant alors sous la première polarité en réponse à 25 l'amorçage du deuxième dispositif de commutation.. 2o- Un circuit selon la revendication 1, dans lequel :. un premier et un deuxième dispositifs interrupteurs de puissance commandés sont prévus, connectés de façon opérationnelle entre la source et la charge, et dans lequel : le premier dispositif 30 de commutation est actif pour connecter sélectivement le condensateur aux bornes du dispositif de puissance afin de/i?oquer, et le deuxième dispositif de commutation est actif pour connecter sélectivement le condensateur aux bornes du deuxième dispositif de puissance afin de le bloquera 35 3o- Un circuit selon les revendications 1 et 2, dans lequel : les premier et deuxième dispositifs unidirectionnels sont connectés de façon opérationnelle aux bornes de la charge 70 12132 12 2041130 pour créer un chemin conducteur pour le courant circulant dans la charge lorsque les premier et deuxième dispositifs de puissance sont bloquéso 40- Un circuit selon les revendications 1, 2 ou 3t 5 dans lequel les premier et deuxième dispositifs unidirectionnels comprennent respectivement un troisième et un quatrième dispositifs interrupteurs de commutation commandés, dans lequel le aux bornes condensateur est connecté de façon opérationnelle/du dispositif de puissance pour le bloquer en réponse à l'amorçage des premier 10 et quatrième dispositifs de commutation et dans lequel le condensateur est connecté aux bornes du dispositif de puissance pour le bloquer en réponse à l'amorçage des deuxième et troisième dispositifs de commutationo 5<>- Un circuit selon l'une des revendications précé— 15 dentes, dans lequel des dispositifs de récupération unidirectionnels sont connectés aux bornes de la dite charge, pour créer un chemin conducteur pour le courant à travers la charge, lorsque le dispositif de puissance est bloqué,, 60- Un circuit selon l'une des revendications précé— 20 dentes, dans lequel un convertisseur triphasé est prévu et connecté de façon opérationnelle entre les premier et deuxième dispositifs de puissance et la charge, ce convertisseur comprenant : une pluralité de dispositifs interrupteurs commandés montés en pont pour compléter de façon sélective vin chemin bi-25 directionnel vers la charge de manière qu'une sortie alternative polyphasée apparaisse à ses bornes, une pluralité de dispositifs interrupteurs commandés de retour associés respectivement à chacun des dispositifs interrupteurs commandés du pont et se trouvant dans un état bloqué associé avec la pluralité de dispo-30 sitifs interrupteurs commandés du pont à commuter; et dans lequel . le circuit de commutation est actif pour effectuer la commutation sélective des dispositifs interrupteurs commandés du ponto 70- Un circuit selon la revendication 6, dans lequel chaque élément de la pluralité de dispositifs'de retour est com-35 plémentaire de l'un des dispositifs du pont, autre que le dispositif associé, ce dispositif de retour complémentaire étant sélectivement débloqué pour fournir un circuit de retour vers la source lorsque l'élément choisi de la pluralité des dispositifs en pont a été commutée0