Brevet FR2128718A1 — publié le 19721020

la présente invention concerne un dispositif pour la compensation des capacités parasites sur les soupapes à semi-conducteurs qui se composent de plusieurs éléments à semi-conducteurs, dont tua certain nombre, disposés dans chaque cas les uns derrière 5 les autres, sont assemblés en un groupe de construction, les groupes de construction étant disposés en étages superposés, deux groupes au moins étant réunis dans chaque étage et tous les groupes étant interconnectés à la façon d'une spirale, de sorte que l'ensemble des éléments à semi-conducteurs forme un 10 montage en série unique. Les soupapes à semi-conducteurs, en particulier les thy-ristors, pour la transmission d'énergie en courant continu à haute tension, se composent actuellement d'un grand nombre d'éléments à semi-conducteurs connectés en série. 15 Afin d'obtenir, lorsque la soupape est bloquée, une répar tition aussi régulière que possible de^la haute tension qui est appliquée (tension de choc) sur tous les éléments à semi-conducteurs, et pour compenser aussi l'influence perturbatrice des capacités des composants de la construction par rapport à la 20 terre, on a prévu, dans les systèmes connus, un équipement de compensation constitué de condensateurs concentrés. Un tel équipement est décrit par exemple dans le brevet suisse n° 469 396. L'équipement avec des condensateurs dits concentrés pré-25 sente cependant des inconvénients considérables, à savoir que, d'une part, les condensateurs bobinés présentent une fréquence de résonnance trop basse (au dessus de leur fréquence de réson-nance, ces condensateurs n'ont pratiquement pas d'effet) et que, d'autre part, les condensateurs en céramique ont un très grand 30 encombrement de montage. Les condensateurs au titanate de barium comme diélectrique ont de leur côté des valeurs de capacité qui varient fortement avec la tension et la température. Si donc un choc de tension à front raide arrive sur une soupape à semi-conducteurs bloquée, pour les raisons exposées 35 ci-dessus, une répartition symétrique de la tension entre les différents éléments à semi-conducteurs n'est pas possible, ou tout au moins n'est réalisable qu'au prix de moyens très importants . L'objet de l'invention est d'éviter les inconvénients 40 ainsi exposés de la technique connue» 72 07991 2 2128718 Selon la présente invention, ce problème est résolu en ce que l'on raccorde galvaniquement un écran métallique à chaque deuxième point de liaison entre groupes de construction, cet écran entourant les deux groupes réunis par ce point de liaison 5 du côté des faces extérieures de la soupape à semi-conducteur et les différents écrans métalliques étant isolés électriquement entre eux; et en ce qu'il est prévu, en outre, au moins une tôle écran reliée au potentiel de la cathode et une autre reliée au potentiel de l'anode, ces tôles écrans étant disposées 10 en regard des écrans métalliques précités vers l'extérieur de la soupape à semi-conducteurs, la distance entre ces tôles écrans et les écrans métalliques augmentant en même temps que la différence de potentiel et ces tôles écrans étant isolées électriquement l'une par rapport à l'autre. 15 L'avantage de l'invention doit être vu, en premier lieu, dans le fait que la fiabilité de la soupape à semi-conducteurs est considérablement augmentée, car les inconvénients des condensateurs concentrés, exposés plus haut, ainsi que tous les incidents en général, dont ces condensateurs peuvent être la 20 source, sont éliminés. Gomme il n'y a pas de fréquence limite supérieure à observer, on peut se dispenser de l'inductance de protection série, qu'il faut prévoir dans un dispositif selon l'état actuel de la technique afin de limiter la vitesse de croissance de 25 la tension (du/dt),(ceci pour ne pas dépasser la fréquence limite des condensateurs bobinés). Les dessins annexés montrent un exemple de réalisation de l'objet de l'invention. Les figures représentent respectivement \ 50 la Fig. 1, une représentation simplifiée, en perspective, d'une soupape à semi-conducteursj la Fig. 2a, une coupe transversale selon le plan 1ÎS de la fig. 1; la Fig. 2b, une autre vue en coupe, selon le plan BS de la fig. 1; 55 la Fig. 3, un schéma électrique équivalent d'une soupape à semi-conducteurs à l'état bloqué. Sur la fig. 1, les repères 1, 1' désignent une tôle écran côté cathode, 2, 2' une tôle écran côté anode, tandis que A et K désignent respectivement la connexion d'anode et la connexion 72 07991 5 2128718 de cathode. Avec les repères 3, 4, 5, 6 et 7 sont désignés les écrans métalliques. Avec les lettres B et C, on a défini un plan de coupe, dont une vue dans le sens des flèches a été représentée 5 sur les figures 2a et 2b. Sur toutes les figures, une même pièce porte toujours le même repère. Sur la figure 2a, le repère 4' désigne un écran métallique disposé dans le même étage que celui désigné par 4. Avec le repère 8, on a désigné sur les -figures ,2a, 2b et 3, des groupes de construction, dont chacun est constitué par exemple, par le groupement en série de dix éléments à semi-conducteurs. la lettre k désigne une connexion vers l'étage immédiate-15 ment supérieur, et la lettre a une connexion vers l'étage immédiatement inférieur, tandis que la lettre S indique les points de raccordement des écrans métalliques 3* 3% 4, 4' etc.. et représentent respectivement les distances entre l'écran métallique 4 et, respectivement, les tôles écrans 1 et 2. Sur 20 la figure 3 on a repréré en plus, avec la lettre G,, les capacités résultantes des jonctions bloquées d'un groupe de construction 8, tandis que a I27» ainsi que i à i^ , sont des courants, et ïï^y et U^-g- sont des tensions. Avic et C^, on a représenté respectivement les capacités effectives entre l'écran 25 métallique 4 et les tôles écrans 1 et 2. Le schéma équivalent de la figure 3 est basé sur un dispositif avec cinq étages (correspondant à la figure 1); dans chaque étage étant disposés deux groupes de construction 8, de la manière schématisée sur la figure 2b. 30 Chaque groupe de. construction est un ensemble compact, constitué par exemple de dix éléments à semi-conducteurs (thy-ristors) avec leurs éléments réfrigérants (organisés éventuellement pour un refroidissement par huile). A l'état bloqué, seule apparaît pour chaque élément à semi-35 conducteur la capacité de la jonction bloquée, et., pour simplifier, on considérera la capacité résultante C.correspondant à la mise en série de tous les éléments à semi-conducteurs d'un groupe de construction. _ En considérant la figure 3, il faut évidemment tenir compte 72 07991 4 2128718 du fait que le dispositif à trois dimensions de la figure 1 ne peut être représenté ici que dans deux dimensions. On peut cependant y reconnaître le principe général de la compensation et aussi l'idée de base de l'invention. 5 On suppose maintenant qu'une tension continue de 200 kV est appliquée à la soupape à semi-conducteurs bloquée. En régime statique (tension continue), cette haute tension est également répartie entre tous les éléments à semi-conducteurs, chaque élément à semi-conducteurs étant alors sollicité en dessous de sa 10 tension critique de claquage. Les conditions sont cependant tout à fait différentes, s'il arrive maintenant une tension de choc supplémentaire sur la soupape à semi-conducteurs, avec par exemple, elle aussi, une amplitude de 200 kV (une tension de choc d'amplitude égale à 15 deux fois la tension nominale est même possible). Avec cette sollicitation dynamique, correspondant à une variation de la tension avec une certaine vitesse (du/dt), un courant s'écoule de l'anode A vers la cathode K, à travers le montage en série C des capacités de toutes les jonctions bloquées. 20 II passe aussi, cependant, des courants capacitifs de déplacement, à iy-p de l'anode A à la cathode E par la tôle écran 2, par les différents écrans métalliques 3 à 7 et par la tôle écran 1. Du fait de la disposition des écrans métalliques et des 25 tôles écrans selon l'invention, visible sur les figures, on arrive au résultat que le courant (lire "courant allant de 2 vers 7) est égal au courant On obtient de même les égalités respectives des courants i^ et ig-p i-25 ^51* ^24 ^41 ' 3*23 ^31 • 30 Gomme on peut le voir, ces courants capacitifs de déplace ment n'ont donc aucune influence sur le courant qui passe par les capacités C des jonctions bloquées. Ce courant a donc la même valeur dans toutes les capacités C, de sorte que la tension de choc se répartit aussi d'une manière tout à fait régulière entre 35 tous les groupes de construction 8 et, par conséquent, entre les éléments à semi-conducteurs. Chaque soupape .à semi-conducteurs étant dimensionnée pour un niveau de protection par les para-foudres de + 2,4 x ^uom Par exemple, voir revue Brown Boveri, vol. 55)» on ne court aucun risque de détérioration. 72 07991 5 2128718 On pourrait cependant se demander pourquoi ces tôles écrans 1 et 2 sont disposées si près, qu'elles engendrent des courants capacitifs de déplacement. Il faut noter, à ce sujet, que dans la pratique on ne peut guère éviter l'existence de courants de 5 déplacement parasites, car il existe toujours des capacités parasites entre les différents groupes de construction et la terre, ou une paroi de coffret, ou un élément âe machine voisin etc. Cela signifierait que les valeurs des courants ^24® ^25' igg et igy, par exemple, dépendraient d'une manière arbitraire 10 des conditions environnantes. Mais on ne pourrait éviter alors que les parties non compensées de ces courants s'écoulent à travers les capacités C des jonctions bloquées, et provoquent ainsi des chutes de tension différentes dans les différents éléments à semi-conducteurs. Cela signifie que la tension de choc, 15 par exemple de 200 kY, se répartit alors d'une manière tout à fait irrégulière, de sorte que les éléments à semi-conducteurs d'un ou même de plusieurs groupes de construction 8 peuvent recevoir plus que la tension bloquée admissible, et être endommagés. 20 Avec la disposition proposée, par contre, l'influence des capacités parasites perturbatrices peut être éliminé par effet de blindage, et la valeur des courants capacitfs de déplacement peut être très bien déterminée. On voit, sur la figure 3, que les écrans métalliques 7» S, 25 5, 4 et 3, sont portés à des potentiels croissants par rapport à l'anode A, et par conséquent à la tôle écran 2. On a des conditions analogues du côté de la cathode. En prenant comme exemple l'étage avec l'écran métallique 4, on a encore expliquer la détermination des distances respecti-30 ves entre cet écran et les tôles écrans 1 et 2. L'écran métallique 4 forme respectivement avec les tôles écrans 1 et 2 les capacités C^ ^24® ces dernières étant, en première approximation, inversement proportionnelles aux distances respectives et (à condition que les éléments de 35 surfaces des écrans métalliques et des tôles écrans, disposés en regard les uns des autres, restent de même grandeur d'un étage à 1'autre). On peut donc écrire : 72 07991 6 2128718 -V- 24 ^41 - —i. %1 5 Les courants capacitifs de déplacement peuvent se calculer comme suit ï au,, „ dïï,lV 1 X41 = —^ . 41 3 —^ . ~ dt dt 41 i24 - a^ïïAK " ïï4k ^ . 02^ « d(-ïïAK " ïï4k^ . —— 10 dt dt D24 Il faut que i^ soit égal à i^ d'où il s'ensuit ! ®4k _i. «DAK-D4K -3- . • T) m • T) dt 41 dt 24 ce qui peut s*écrire : 15 *U4K o D24 - d(-ïïAK ~ U4K ^ D41 dt dt Comme cependant la répartition des tensions en cas de sollicitation dynamique doit se faire exactement comme à l'état statique (sans du/dt), il suffit de la forme simplifiée: U4K*D24 b (UAK,XW ' D41 En respectant cette condition, on assure la compensation des courants capacitifs de déplacement. En variante de la soupape à semi-conducteurs représentée sur la figure 1, les tôles écrans peuvent être réalisées par . exemple avec des faces de formes trapézoïdales ou triangulaires. 72 07991 7 2128718 Pour l'exactitude, il faut tenir compte alors que la capacité (par exemple C2^) entre l'écran métallique et la tôle écran dépend aussi de la valeur des éléments de surface qui sont disposés en regard l'un de l'autre. Il est nécessaire alors, 5 exactement comme pour d'autres formes compliquées, calculer ou mesurer exactement la capacité effective entre l'écran métallique et les tôles écrans. Le principe de la compensation n'en est cependant pas affecté. La figure 2a montre une disposition des groupes de construc-tion, que l'on rencontre plus souvent que celle de la figure 2b. Comme on peut le voir, il y a quatre groupes de construction dans chaque étage, de sorte qu'il suffit d'une hauteur totale moins grande. L'espace qui apparaît à l'intérieur peut être occupé, par exemple, par le transformateur d'impulsions assurant la 15 commande des différents éléments à semi-conducteurs. Du fait du nombre double de groupes de construction, il faut aussi deux écrans métalliques 4 et 4' pour chaque étage. Il faut noter maintenant que, contrairement à la figure 2b, en regard de l'écran métallique 4 il n'y a jamais qu'une partie des tôles écrans, 20 à savoir 1 et 2, tandis que la deuxième partie de celles-ci 1' et 2' correspond à l'écran métallique 4'. Bien que, sur les figures, on ait adopté des configurations rectangulaires, il ne faut pas exclure la possibilité de réaliser des tôles écrans et des écrans métalliques, en partie au moins, 25 avec des formes arrondies. Selon une forme avantageuse de l'invention, l'une au moins des tôles écrans 1, 2 est une partie constitutive de l'enceinte qui entoure la soupape à semi-conducteurs, telle que par exemple la cuve à huile pour des soupapes isolées et refroidies avec de 30 l'huile. 72 07991 8 2128718 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la compensation des capacités parasites sur les soupapes à semi-conducteurs qui se composent de plusieurs éléments à semi-conducteurs, dont un certain nombre, disposés les uns derrière les autres, sont assemblés en un groupe de 5 construction, les groupes de construction étant disposés en étages superposés, deux groupes au moins étant réunis dans chaque étage et tous les groupes étant interconnectés à la façon d'une spirale, de sorte que l'ensemble des éléments à semi-conducteurs forme un montage série unique, caractérisé en ce que, à chaque 10 deuxième point de liaison (S) entre les groupes de construction (8), est raccordé galvaniquement un écran métallique (3» 31» 4» 4', 5» 51 ••_•)» entourant les deux groupes réunis par ce point de liaison du côté des faces extérieures de la soupape à semi-conducteurs, les différents écrans métalliques étant isolés 15 électriquement entre eux; et en ce qu'il est prévu, en outre, au moins une tôle écran reliée au potentiel de la cathode (1, 1') et une tôle écran reliée au potentiel de l'anode (2, 2'), ces tôles écrans étant disposées en regard des écrans métalliques (3, 3', 4, 4', ...) précités, vers l'extérieur de la soupape à 20 semi-conducteurs, la distance entre ces tôles écrans et les écrans métalliques augmentant en même temps que la différence de potentiel, et ces tôles écrans (1, 2) étant isolées l'une par rapport à l'autre. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce 25 que les distances respectives entre un écran métallique (3, 31, 4, 4'...) et la tôle écran portée au potentiel de la cathode (l), d'une part, et la tôle écran portée au potentiel de l'anode (2), d'autre part, sont déterminées de telle manière que les courants capacitifs de déplacement (i23* ^24***^ s*écoulent entre 30 l'une des tôles écrans et chacun des écrans métalliques, sont égaux aux courants • • • ) s'écoulent entre ces mêmes écrans métalliques et l'autre tôle écran. 3. Dispositif selon l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'une au moins des tôles écrans(1, 1', 2, 35 2') est une partie constitutive de l'enceinte qui entoure la soupape à semi-conducteurs.