Brevet FR2121537A1 — publié le 19720825

L'invention concerne un dispositif pour la mesure du temps de recouvrement de soupapes à semi-conducteurs, en particulier de thyristors. Dans la technique des convertisseurs statiques, pour les régleurs à courant continu et pour les applications analogues outre les exigences relatives à la charge en courant admissible aux sollicitations admissibles en tension directe bloquée et en tension inverse, au comportement à l'amorçage et à la résistance au du/dt des soupapes à semi-conducteurs utilisées, en particulier des thyristors, il faut attacher une attention particulière à leur temps de recouvrement, qui est déterminant pour l'aptitude au fonctionnement et pour le rendement de l'installation. On sait que lion obtient l'extinction forcée d'un thyristor; disposé dans un circuit d'utilisation, en commutant très rapidement le courant d'utilisation de la branche du circuit où se trouve le thyristor, dans une branche particulière, qui comporte un condensateur (condensateur d'extinction) et un interrupteur, par exemple un autre thyristor (thyristor d'extinction), et qui se trouve connectée, par exemple, en parallèle avec la branche du circuit qui comprend le thyristor dont on veut commander l'extinction. Pour cela, durant le temps qui précède la commutation, on charge le condensateur d'extinction de manière que le p8le négatif du condensateur soit relié à l'anode du thyristor que lton veut éteindre.La commutation est déclenchée par la fermeture de l'interruptellr, autrement dit par l'amorçage du thyristor d'extinction, le courant d'utilisation se commute alors dans la branche du circuit qui comprend le condensateur d'extinction et le thyristor d'extinction. En même temps, la tension de la chare du condensateur d'extinction est appliquée au thyristor auti s'agit d'éteindre, où elle apparat comme une tension inverse. Le courant d'utilisation, fourni par la source principale, in- verse alors la charge du condensateur d'extinction, et le courant commuté traverse alors le condensateur d'extinction, en tant que courant d'inversion de la charge, le thyristor d'extinction et le circuit d'utilisation. La tension inverse décroît aux bornes du thyristor à éteindre, et change enfin de polarité pour devenir une tension directe positive. Durant le temps pendant lequel la tension inverse est appliquée au thyristor à éteindre (temps de blocage), les porteurs de charge présents du fait de la conduction de courant antérieure, sont évacués du thyristor à éteindre, sous la forme d'un courant d'évacuation négatif.C'est seulement lorsque ce courant s'annule que le thyristor est en mesure dc bloquer une tension directe sans se réamorcer, c' est-à-dire que le thyristor est éteint. On sait que le temps qui s'écoule entre le début de la commutation et la disparition du courant d'évacuation s'appelle le temps de recouvrement. Il est possible de mesurer ce temps si, partant d'un temps de durée suffisante, on réduit progressivement le temps de blocage jusqu'à ce que le thyristor se réamorce au moment de la réapparition de la tension directe. Une mesure précise et sans ambiguïté n'est cependant possible que Si le circuit du courant d'extinction est complètement découplé du circuit du courant d'utilisation. La mesure du temps de recouvrement dans les installations techniques n'est pas toujours possible, et l'est seulement dans une mesure limitée et pas toujours sans destructions, car il n'est pas de cas d'application où l'on puisse faire varier in dépendamment tous les paramètres qui ont une influence sur le temps de recouvrement. il faut recourir, pour cela, à des montages spéciaux, et l'on aboutit aux combinaisons dites "montages d'essais synthétiques, dans lesquelles l'on réalise la coupure et la fermeture du circuit du courant d'utilisation et d'un ou plusieurs circuits de tension en suivant un échelonnement déter min en fonction du teìlaps. De tels montages et dispositifs de ùre art ont déja té décrits dans direct current", juin 1962, mazes 15C à 132. Dans le dispositif de mesure selon la publication citée, un défaut important réside en ce que la chaîne d'impulsion utilisée dans ce montage ne peut emmagasiner qu'une énergie très limitée, et ne peut donc fournir à l'objet de la mesure, qui est amorcé, que des impulsions de courant d'utilisation très courtes, de durée infsrieure à 100 us, De plus, des artifices de montage sont nécessaires, dans une certaine mesure, pour l'objet de la mesure lui-meme et pour un découplage réciproque efficace entre le circuit du courant d'utilisation et la iiaîne d'impulsion d'une part, et le circuit qui transmet la tension de rétablissement à l'objet de la nesure. Une difficulté particulière réside encre que, pour chaque objet soumis à la mesure, il faut sélectionner une diode de découplage, dont le temps de recouvrement est légèrement plus long que celui de l'objet de la mesure. On monte cette diode dans le circuit d'utilisation, directement en série avec l'objet de la mesure. Au moment de l'application de la tension de recouvrement sur l'objet de la mesure, il faut que cette diode ait recouvré son pouvoir de blocage, afin d'isoler do cete tension le circuit qui assure l'extinction forcée de l'objet de la mesure.On ne peut, enfin, avec le dispositif de mesure précité, réaliser des conditions d'essai analogues à celles qui apparaissent lors des sollicitations alternées de l'objet de la mesure, dans le domaine des fréquences basses et moyennes, alors qu'avant chaque extinction, l'objet de la mesure est chargé par un courant d'utilisation de durée suffisamment longue et d'une intensité déterminée, On connait également un autre dispositif suivant lequel, on a toujours besoin d'une soupape à semi-conducteur non commandée, sélectionnée, avec un temps très long de retard au reblocage, et d'un thyristor ayant un temps de recouvrement beaucoup plus court que celui de l'objet de la mesure, de sorte que la mesure du temps de recouvrement de thyristors très rapides n'est plus possible avec ce dispositif.Du fait du montage d'une diode dans le circuit d'extinction, en série avec l'objet de la mesure, il n'est pas possible d'exclure avec certitude une limitation de l'amplitude du courant inverse dans l'objet de la mesure, ce qui interdit une mesure exacte des pertes au blocage dans l'objet de la mesure, et fausse aussi les conditions d'expérimentation, comparativement aux conditions réelles d'utilisation dans l'installation. Avec les deux montages, les éléments de découplage nécessaires sont relativement compliqués, et ne peuvent être réalisés qu'avec des soupapes à semi-conducteurs sélectionnées. De plus, les conditions de sollicitation, en particulier les pertes au découplage, ne correspondent pas à celles que l'on a dans-l'installation, car les impédances des circuits de blocage ne sont pas compatibles avec celles-ci. L'objet de la présente invention est de cécrire un dispositif pour la mesure du temps de recouvrement, qui autorise le maintien de l'intégrité des valeurs des sollicitations appliquées dans l'installation à l'objet de la mesure, et permette un découplage simple et efficace des différents circuits, Pour un dispositif du type cité dans le préambule, ce problème est résolu, selon la présente invention, en ce que l'objet de la mesure est disposé dans un circuit d'utilisation parcouru par un courant continu, des moyens étant prévus pour la commutation forcée, qui soumettent l'objet de la mesure à un courant continu pulsé; en ce qu'il est prévu au moins une branche en dérivation, qui assume la conduction du courant d'utilisation pendant les intervalles de temps dans lesquels l'objet de la mesure est sans courant et qu'il est prévu des circuits auxiliaires, découplés du circuit d'utilisation, qui sont conçus pour appliquer une tension directe bloquée ou une tension inverse à l'objet de la mesure, durant les intervalles de temps où celui-ci est sans courant. Comparativement aux dispositifs connus, celui-ci présente l'avantage d'une consommation d'énergie beaucoup plus faible car, du fait de la séparation, le circuit courant n'a besoin que d'une faible tension, tandis que les circuits de tension sont seulement dimensionnés pour des courants de faible intensité, et que l'on peut ajuster les différents paramètres, qui déterminent les sollicitations, indépendamment les uns des autres. De plus, les moyens nécessaires pour le découplage des circuits ci-dessus sont relativement modestes. Il n'est plus nécessaire d'utiliser des soupapes à semi-conducteurs spécialement sélectionnées.On ne se heurte, enfin, à aucune limitation du domaine de mesure, pour les objets ayant des temps de recouvrement courts, car aucun élément du montage, sinon l'objet de la mesure lui-même, n1 exerce une influence limitatrice de ce domaine. On expliquera ci-dessous plus en détail un exemple de réalisation de l'invention, en référence aux dessins qui représentent respectivement; en Fig. I, le schéma de l'exemple de réalisation décrit ci-dessous; et en Fig. 2, l'évolution du courant et de la tension intéressant l'objet de la mesure. Le principe de l'exemple de réalisation décrit ci-dessous consiste à insérer l'objet de la mesure dans un circuit d'utilisation parcouru par un courant continu, et à le soumettre à un courant continu pulsé au moyen de la commutation forcée. Durant les intervalles de temps sans courant, le courant continu doit continuer à passer par une branche en dérivation, tandis qu'au moyen de circuits auxiliaires convenables, on applique à l'objet de la mesure les sollicitations en tension, dans le sens inverse et dans le sens direct.Après la commutation, la tension du condensateur de commutation, qui n'est que partiellement dé char- gé, se trouve appliquée automatiquement, à la suite du processus d'extinction, sur l'objet de la mesure, en tant que tension inverse, et on obtient ainsi la même forme de sollicitation par tension inverse, que celle qui apparat dans les installations à commutation forcée. Du point de vue du montage, cependant, on a la différence que la charge du condensateur de commutation n'est pas assurée par le circuit d'utilisation lui-même, mais par un redresseur particulier, ce qui ne nécessite qu'une puissance dissipée beaucoup plus faible.La tension bloquée directe, par contre, est appliquée au moyen d'un autre thyristor, à partir d'un autre condensateur déjà chargé, à l'objet de la mesure et, parallèlement, au condensateur de commutation; une partie de la charge du condensateur supplémentaire passe alors dans le condensateur de commutation, inversant la charge de ce dernier, et il se-produit alors une extinction automatique du thyristor supplémentaire. Le condensateur de commutation reste chargé, et sollicite l'objet de la mesure dans le sens direct, jusqu' à l'amorçage de celui-ci, le courant continu se commutant alors de nouveau dans l'objet de la mesure. Le dispositif de mesure se composed'un circuit du courant d'utilisation, tracé en trait fort sur la figure 1, et de deux circuits de tension, l'un pour la tension directe, et l'autre pour a tension inverse. Le circuit du courant d'utilisation, qui est raccordé par l'interméaiaire d'une bobine de lissage 8 à un redresseur fournissant une tension de sortie ajustable Ul, se compose des diodes 4,5, des thyristors 1,2, des inductances 7, 7' et d'un condensateur 6. Si l'on commence par amorcer le thyristor 1 (instant t1 selon la figure 2), le circuit se ferme par la diode 4, le thyri- -stor 1, l'inductance 7', la bobine de lissage 8, et par le redresseur précité qui, meme pour des courants de forte intensité, ne consomme qu'une puissance réduite, car il suffit que la tension de sortie U1 soit égale à la somme des chutes de tension, dans le sens direct, d'une diode et d'un thyristor. Dans le temps pendant lequel le courant d'utilisation s'écoule par la diode 4 et par le thyristor 1, qui représente l'objet de la mesure, on charge le condensateur 6 avec une source de tension U3, à travers une résistance de charge 9 et la diode préconditionnée 4, de sorte que le thyristor 2, servant d'élément auxiliaire, est sollicité dans le sens direct.La diode 5 empêche, par ailleurs, que le condensateur 6 ne se décharge par l'autre branche du montage. Sis maintenant, on amorce le thyristor 2 instant t2 selon la figure 2), un contrecourant prend naissance à travers le condensateur 6 et les inductances 7 et 7', dirigé en opposition avec le courant d'utilisation qui traverse le thyristor 1, provequant l'annulation du courant dans ce thyristor. Le condensateur 6 ne peut guère se décharger davantage sur le circuit d'utilisation que très lentement, du fait de la valeur relativement grande choisie pour l'inductance 8. Après le processus de blocage de l'objet de l'essai, le thyristor 2 que l'on vient d'amorcer reste conducteur et assume la conduction du courant d'utilisation. Le trajet anode-cathode de l'objet de la mesure est alors sollicité dans le sens inverse, par la tension présente à ce moment aux bornes du condensateur 6. Par conséquent, d'abord, la diode 4 reste conductrice et la diode 5 reste bloquée. Durant cette période de blocage de l'objet de la mesure, le courant d'utilisation passe par la diode 4, le condensateur 6 et le thyristor 2. Le courant d'utilisation décharge progressivement le condensateur 6, et la tension inverse appliquée à l'objet de la mesure décroÎt proportionnellement au rapport IG/C, IG étant le courant total pris par le circuit d'utilisation et C la capaci- té du condensateur 6. Avant que le condensateur 6 soit complètement déchargé, et après écoulement du temps de repos, on amorce un thyristor 3, connecté entre la diode 4 et le thyristor 1, (instant t3 selon la figure 2). Celui-ci relie au condensateur 6 à travers une inductance 12, un condensateur 11, qui a été chargé entre temps par une autre tension U2, à travers une deuxième résistance de charge 10. L'inversion, ainsi provoquée, de la charge du condensateur, s'effectue selon un processus oscillatoire, dont la fréquence est déterminée par le couplage en série des capacités 6 et ll avec l'inductance 12. Sitôt qu'au cours de ce processus d'inversion, le condensateur 6 se trouve rechargé à une tension correspondant à la valeur de seuil de la diode 5, celle-ci devient conductrice; le courant se commute alors de la diode 4 dans la diode 5 et, de celle-ci, il va directement au thyristor 2. L'objet de la mesure, le thyristor 1, est alors sollicité dans le sens direct, et la diode 4, dans le sens inverse. Le condensateur 6 ne peut plus se décharger, car au cours du transfert de la charge du condensateur ll au condensateur 6, décrit ci-dessus, le thyristor 3 se rebloque de lui-même après une demionde de courant. La charge emmagasinée par le condensateur 6 subsiste jusqu'à ce que l'on applique une impulsion d'amorçage au thyristor 1. Celui-ci éteint maintenant à son tour le thyristor 2, sollicité en inverse pratiquement par la totalité de la tension directe qui était bloquée par le thyristor 1. Durant cet intervalle de temps, le courant continu passe, par la diode 5 et le thyristor 1, à travers le condensateur 6 et,ainsi, ce dernier se décharge. Lorsque l'on arrive à la valeur de seuil de la diode 4 le courant continu se commute, de la diode 5, dans la diode 4, et va directement à l'objet de la mesure, le thyristor 1. Le condensateur 6 se charge alors à partir du redresseur U3, avec la constante de temps déterminée par la résistance de charge 9 et le condensateur 6.Après amorçage du thyristor 2, le processus décrit ci-dessus recommence. Sur la figure 2, on a représenté le déroulement du processus décrit ci-dessus en fonction du temps, au moyen du courant iT qui traverse l'objet de la mesure, le thyristor 1, ainsi que de la tension ug présente aux bornes de l'objet de la mesure. Dans cette représentation, toff est le temps de recouvrement défini plus haut, et que l'on désire mesurer, propre à l'objet de la mesure. Le réglage des paramètres essentiels qui déterminent le temps de recouvrement toff sveffectue comme suit On règle l'intensité du courant d'utilisation avec la tension Ul, par exemple à l'aide d'un redresseur réglable au moyen d'un autotransformateur. La fréquence du courant d'utilisation pulsé, dans l'objet de la mesure, s'ajuste par la fréquence des impulsions d'amorçage des thyristors 1 et 2, commandés en opposition de phase. En modifiant le déphasage relatif de ces impulsions d'amorçage, on peut, à fréquence constante, charger l'objet de la mesure avec une durée variable de conduction du courant ("rapport de manipulation").C'est ainsi, par exemple, qu'avec une valeur de crête constante du courant d'utilisation, on peut ajuster une valeur moyenne variable du courant d'utilisation. La vitesse de décroissance du courant au reblocage, di/dt, est ajustable au moyen des inductances variables 7 et 7'. Le temps de repos est ajustable en agissant sur la position, dans le temps, de l'impulsion de commande du thyristor 3. La valeur de la tension directe bloquée dépend de la tension aux bornes de la source U2, et elle peut être ajustée au moyen de cette source. La vitesse de croissance de la tension directe bloquée, du/dt, peut etre ajustée au moyen de l'inductance 12, ou au moyen des capacités 8 et 11. On ajuste le niveau de la tension inverse appliquée à l'objet de la mesure au moyen de la tension aux bornes U3. Avec le dispositif décrit, on tient compte aussi de la sollicitation par la tension inverse, existant dans l'installation. On peut, en outre, au moyen d'un oscillographe, mesurer sur un shunt à faible inductance 13 l'évolution du courant inverse, et déterminer ainsi la charge due à la persistance des porteurs, en fonction de la valeur de crête et de la vitesse de variation du courant, sans que les valeurs mesurées soient per turbées par le montage. Le dispositif décrit peut être aménagé pour fonctionner avec des impulsions de courant à moyenne fréquence, et permet ainsi de vérifier le comportement en commutation des soupapes commandées pour différentes valeurs de la fréquence de fonction ment. Du fait de la consommation d'énergie relativement faible, le dispositif décrit convient, non seulement, pour la mesure du temps de recouvrement, mais aussi pour des essais de longue durée. Ce montage n'exige enfin qu'un petit nombre d'éléments de mon-tage. C'est ainsi qu'en dehors de l'objet de la mesure,on n'a besoin que de deux thyristors, et il n'est pas nécessaire d'utiliser des éléments sélectionnes. DEVEj')ICTIONS lo Dispositif pour la mesure du temps de recouvrement de soupapes à semi-conducteurs, en particulier de thyristors, caractérisé en ce que l'objet de la mesure (1) est disposé dans un circuit d'utilisation (7', 8) parcouru par un courant continu, des moyens (4, 5, 8) étant prévus pour la commutation forcée, qui soumettent l'objet de la mesure à un courant continu pulsé; en ce qu'il est prévu au moins une branche parallèle (2, 6, 7) du circuit du courant d'utilisation, pour assumer la conduction du courant d'utilisation pendant les intervalles de temps durant lesquels l'objet de la mesure est sans courant, et qu'il est prévu en outre des circuits auxiliaires (9, 10) découplés du circuit du courant d'utilisation, et qui sont conçus pour appliquer à l'objet de la mesure une tension bloquée directe ou une tension inverse, pendant les intervalles de temps durant lesquels cet objet est sans courant. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens pour la commutation forcée se composent de deux diodes (4, 5) connectées en sens inverse et d'un condensateur de commutation (6) connecté aux deux extrémités opposées de ce groupement de diodes, le point commun (o) des deux diodes constituant l'un des pôles de la source extérieure du courant d'utili- sation (ut). 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que, sur l'un des pôles du condensateur de commutation (6), est connectée la branche parallèle du circuit du courant d'utilisation, constituée par un interrupteur (2) et par un élément d'utilisation (7); et en ce que, sur l'autre pôle du condensateur de commutation (6), est branché le circuit du courant d'utilisation constitué par l'objet de la mesure (1) et par un deuxième élément d'utilisation (7'), et que le circuit de courant d'utilisation, ainsi que la branché parallèle de celui-ci, sont réunis ensemble, par l'intermédiaire d'une bobine (8), au deuxième pôle de la source extérieure du courant d'utilisation (ut) . 4. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les diodes (4, 5) sont réunies par leurs anodes, et que leur point commun (o) est relié au pôle positif de la source extérieure du courant d'utilisation (Ul). 5. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'une tension continue inverse (U3), réalisant la sollicitation en tension inverse de l'objet de la mesure, peut être appliquée à travers une résistance de charge (9), entre le point commun (O) des deux diodes et le point de liaison entre la diode (5) et le condensateur de commutation (6), dans la branche parallèle du circuit du courant d'utilisation. 5. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'au point de liaison entre la diode (4) et le condensateur de commutation (6), dans le circuit du courant d'utilisation, est disposé un autre interrupteur (3), permettant d'appliquer au condensateur de commutation (6) la tension d'un condensateur de blocage (11), le condensateur de blocage étant relié par une résistance de charge de blocage (10) à une source de tension de blocage (U2). 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que, dans la branche constituée par l'interrupteur (3) et le condensateur de blocage (11), en parallèle avec le condensateur de commutation (6), est disposée une inductance (12). 8. Dispositif selon la revendication 3 ou 6, caractérisé an ce qu'au moins l'un des interrupteurs (2, 3) est un thyristor. 9. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que, comme éléments d'utilisation (7, 7'), on a prévu des inductances.