Brevet FR2138076A1 — publié le 19721229

s La présente invention se rapporte à des dispositifs de décleïxcliément de redresseurs serai—conducteurs commandés et elle a trait plus particulièrement à un circuit de déclenchement de redresseurs commandés à haute tension, isolé électriquement 5 des électrodes principales des redresseurs commandés. Il existe un besoin croissant en dispositifs à l'état solide capable d'assurer la commutation et la commande de forts courants électriques dans des convertisseurs statiques et des appareils associés. Ces dispositifs sont couramment appelés îo des redresseurs semi—conducteurs commandés, des thyristors ou des redresseurs commandés au silicium. On réalise couramment les thyristors de grande puissance avec une pastille en silicium de grande surface qui comporte trois jonctions PN (de redressement) placées dos à dos et qui est hermétiquement scellée dans 15 une enveloppe comportant un manchon en céramique et deux bornes conductrices qui sont en contact avec la pastille et qui obturent les extrémités respectives du manchon. Ces bornes forment les électrodes principales du dispositif, c'est à dire qu'une des bornes forme 11 anode et l'autre borne la cathode. On a 2o également pourvu ce dispositif d'une électrode de commande ou d'autres moyens appropriés de déclenchement utilisés à des fins de commande. Comme cela est bien connu, un thyristor arrête le passage d'un courant entre son anode et sa cathode jusqu'à ce qu'il soit 25 déclenché ou "amorcé" par application à son électrode de commande ou gâchette d'un signal de commande dépassant une petite valeur de seuil à un instant où la tension d'anode est positive par rapport à la cathode, de sorte qu'il commute brutalement dans un état de conduction. 3o On applique couramment le signal de commande au thyristor à l'aide de moyens de déclenchement branchés entre son électrode de commande et sa cathode. Dans des applications à haute tension le potentiel de la cathode peut avoir une valeur d'au moins plusieurs milliers de volts par rapport au potentiel de la masse 35 Puisque les moyens de déclenchement utilisés pour produire les signaux de commande fonctionnent à des niveaux de tension de commande relativement bas (par exemple de 10 volts), on peut rencontrer des difficultés lors de l'isolation de l'électrode 72 17781 2 2138076 de commande (qui se trouve à p En conséquence, il est souhaitable de disposer d'un circuit de déclenchement qui soit électriquement isolé par rapport 5 à l'électrode de commande d'un redresseur commandé à haute tension. Une solution pour réaliser une telle isolation consiste à utiliser un système de déclenchement sensible à la lumière pour amorcer le processus de déclenchement. On a représenté un tel système à la page 292 du livre intitulé "Semiconductor Controlled 1o Rectifiers" de F.E. Gentry, publié en 1964 par Prentice-Hall, Englevood Cliffs, N.J. La présente invention permet de résoudre différemment le problème du déclenchement de redresseurs commandés . En conséquence, l'invention a pour but principal de four— 15 nir un circuit d'un type nouveau pour rendre conducteur des redresseurs commandés à haute tension, ledit circuit étant isolé électriquement des électrodes de commande des redresseurs, L'invention a également pour but de fournir un circuit pour rendre conducteur des redresseurs commandés à haute tension 2o par application d'une énergie à leurs électrodes de commande, ladite énergie étant produite par un circuit de déclenchement qui est isolé desdites électrodes de commande. Suivant un aspect de l'invention, on a prévu un circuit de déclenchement pour rendre conducteur un redresseur commandé à 25 haute tension par application de plusieurs impulsions d'énergie à son électrode de commande. Le circuit de déclenchement est isolé électriquement de l'électrode de commande du redresseur par un milieu diélectrique. Dans ce but le circuit de déclenche— mënt comprend un générateur de train d'impulsions qui, à la 3o réception d'un signal d'ordre, produit une série d'impulsions d'énergie. Une antenne émettrice transmet ces impulsions par l'intermédiaire d'un milieu diélectrique à une antenne réceptrice à partir de laquelle elles sont appliquées à l'électrode de commande du redresseur commandé afin de le rendre conducteur. 35 Suivant un autre aspect de l'invention, on dispose un noyau magnétique autour d'une électrode principale du redresseur commandé. On a prévu autour du noyau un enroulement torique qui est branché en parallèle par rapport à l'antenne émettrice. Avec 72 17781 3 2138076 un tel dispositif, lors de l'amorçage d'une conduction de courant dans le redresseur commandé, un courant induit apparaît dans l'enroulement torique et est appliqué à l'antenne émettrice de façon à fournir ainsi une énergie supplémentaire à l'électrode de commande du redresseur commandé. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : La FIG. 1 est un schéma d'un circuit de déclenchement suivant l'invention pour appliquer des signaux de commande aux électrodes de commande de deux redresseurs commandés à haute tension branchés en série entre une source de haute tension et une charge ; La FXG. 2 est un schéma d'un générateur de train d'impulsions particulier utilisé dans le circuit de déclenchement suivant 1'invention ; La FIG. 3 est une coupe de deux redresseurs commandés qui reçoivent des signaux fournis par un circuit de déclenchement suivant l'invention . Sur la FIG. 1, on a représenté schématiquement un circuit de puissance alimenté en haute tension. Il est d'une pratique courante dans des appareils de puissance d'utiliser plusieurs redresseurs commandés branchés en série pour permettre une alimentation en haute tension (le nombre de redresseurs étant fonction de la valeur de la tension souhaitée).Pour simplifier, on n'a représenté sur la FIG. 1 que deux redresseurs commandés (à savoir des thyristors) désignés par 1 et 2, branchés en série entre une source de haute tension 3 et une charge Des circuits classiques de division de tension transitoire et de protection contre une tension inverse sont branchés en dérivation avec chaque redresseur commandé, bien qu'on ne les ait pas représentés sur la figure. On a prévu un circuit de déclenchement 5 pour fournir des signaux de commande aux redresseurs en vue de les rendre conducteurs sur ordre. Le circuit de déclenchement comprend un élément de commande 6, un générateur de train d'impulsions 7, une première paire d'antennes à boucles 8 et 9 branchées en parallèle et une seconde paire d'antennes à boucles 10 72 17781 4 2138076 et 11. On a branché l'antenne à boucle 10 entre l'électrode de commande 12 et la cathode 13 du redresseur 1 et l'antenne à boucle 11 entre l'électrode de commande 14 et la cathode 15 du redresseur 2. 5 On notera que, dans le réseau-série des redresseurs com mandés à l'état non conducteur branchés entre une source de haute tension et la masse, le potentiel à l'électrode de commande de chaque redresseur est égal au potentiel de la source diminuée de la ou des chutes de tension dans le ou les redresseurs par rap-1o port à la source. Le potentiel de commande appliqué à chacun de ces redresseurs branchés en série est assez élevé. Par exemple, dans le circuit de la FIG. 1, si on suppose que la source se trouve à un potentiel positif de 10.000 volts par rapport à la masse, le potentiel à l'électrode de commande du redresseur 2 a 15 une valeur positive d'environ 10.000 volts tandis que le potentiel à l'électrode de commande du redresseur 1 a une valeur positive d'environ 5.000 volts. Puisque le générateur de train d'impulsions 7 du circuit de déclenchement 5 se trouve normalement à un potentiel relati— 2o vement bas par rapport à la masse (c'est à dire 110 volts ou moins), il est extrêmement important d'isoler le générateur à basse tension des électrodes de commande des redresseurs commandés . Le circuit de déclenchement suivant l'invention établit 25 une isolation suffisante entre le générateur à basse tension et les électrodes de commande des redresseurs d'une manière simple et relativement peu coûteuse. On résout le problème en utilisant deux antennes à boucles espacées pour transmettre les signaux de commande du générateur à l'électrode de commande du redresseur. 3o Comme le montre la FIG. 1, on associe au redresseur 1 des antennes à boucles 8 et 10 et au redresseur 2 des antennes à boucles 9 et 11. Les antennes 8 et 9 ont pour fonction de transmettre des signaux de commande produits par le générateur 7,par l'intermédiaire d'un milieu diélectrique, aux antennes réceptri— 35 ces 10 et 11 par lesquelles lesdits signaux sont fournis aux électrodes de commande des redresseurs respectifs 1 et 2 de manière à les rendre conducteurs.Dans la plupart des cas, le milieu diélectrique situé dans l'espace séparant les antennes émettrices et réceptrices est l'air bien qu'on puisse utiliser d'autres ho milieux. 72 17781 5 2138076 On a conçu le générateur de train d'impulsions de telle sorte qu'il produise une série d'impulsions d'énergie lorsqu'il reçoit un signal d'ordre X provenant de l'élément de commande 6. On peut choisir la fréquence des impulsions de la série dans la 5 gamme des basses fréquences ou dans la gamme des hautes fréquences (les impulsions individuelles ayant de préférence une durée de 1 microseconde ou moins). Les impulsions peuvent être à polarité unique ou à polarité alternée. Si les impulsions sont à polarité alternée, il est particulièrement souhaitable d'uti— 1o liser un redresseur commandé qu'on puisse amorcer par des impulsions d'énergie positives ou négatives, bien qu'on puisse également employer des redresseurs commandés qu'on ne peut amorcer que par des impulsions positives. Le premier type de redresseur commandé est connu et on l'a décrit par exemple dans le brevet 15 des Etats Unis d'Amérique n° 3 489 962. La FIG. 2 représente un schéma d'un circuit qu'on peut utiliser comme générateur de train d'impulsions 7» Ce circuit comprend un élément d'emmagasinage d'énergie ou condensateur 16 qui est relié à une source de tension 17• Le condensateur 16 est 2o chargé par la source par l'intermédiaire d'une diode 17a. Un interrupteur bidirectionnel 18 est branché entre le condensateur et les antennes émettrices 8 et 9 reliées en parallèle. On voit que le condensateur et l'antenne à boucle forment un circuit oscillant. Lorsque le condensateur est chargé, une fermeture de 25 l'interrupteur 18 produit une décharge de courant du condensateur dans l'antenne à boucle de façon à engendrer dans celle-ci des oscillations d'énergie qui sont transmises aux antennes réceptrices. La fréquence de ces oscillations est fonction de la capacité et de l'inductance du circuit oscillant. Comme indiqué 3o sur la figure, l'interrupteur 18 comprend un thyristor 19 et une diode en dérivation 20 de polarité inverse. Le thyristor devient conducteur lors de la réception d'un signal d'ordre X provenant de l'élément de commande 6. La période de blocage de ce thyristor doit être telle que, une fois déclenché, il reste conducteur pen-35 dant un temps suffisant pour permettre la génération de plusieurs impulsions ou oscillations. La diode de polarité inverse 20 permet le maintien des oscillations en laissant passer les oscillations de polarité négative dans l'interrupteur. 72 17781 6 2138076 La FIG. 3 est un schéma d'une partie des composants représentés schématiquement sur la FIG. 1 . En particulier, la FIG. 3 montre une disposition modifiée des antennes à boucles émettrices et réceptrices par rapport à leurs redresseurs 5 commandés 1 et 2 associés. La figure montre également des éléments de réaction ou de renvoi d'impulsions de déclenchement dont on précisera la fonction dans la suite. On a représenté sur la FIG. 3 les redresseurs commandés 1 et 2 sous une forme schématique et ils constituent un exemple 1o d'une construction de redresseur dans laquelle l'antenne à boucle réceptrice est logée dans le boîtier du redresseur. En utilisant une telle construction, on incorpore l'antenne réceptrice au redresseur et son branchement entre la cathode et l'électrode de commande en est grandement simplifié. 15 Puisque la construction de chaque redresseur commandé et de ses antennes à boucles associées est la même et puisque chaque redresseur commandé reçoit des signaux de commande provenant d'un générateur de train d'impulsions commun, il est inutile de décrire en détail la construction des deux redresseurs 2o et de leurs antennes associées et, en conséquence, on se limitera à décrire le redresseur 1 et ses antennes associées 8 et 10. Comme le montrent les figures, le redresseur 1 comprend un corps ou pastille semi—conductrice 21 formée de plusieurs couches de conductivités alternées de types P et N disposées 25 entre deux électrodes principales, à savoir l'anode 22 et la cathode 13. Les couches conductriceô alternées sont de préférence réalisées et agencées comme décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique mentionné plus haut. Un fil de commande 12 'relié une couche de conductivité de type N à une extrémité de 3o l'antenne à boucle 10. Un fil 23 relie l'autre extrémité de l'antenne à boucle 10 à la cathode 13. Chacune des antennes comporte de préférence plusieurs spires. La pastille de redresseur et l'antenne réceptrice sont disposées dans un manchon 2k. On a prévu des chapeaux 25 et 26 35 pour obturer les ouvertures existant dans le manchon autour des électrodes principales. Cette construction permet d'obtenir un redresseur commandé monobloc et hermétique qui ne comporte pas de connexions externes d'électrode de commande. Le manchon et 72 17781 7 2138076 les chapeaux sont de préférence en matériau isolant car un boîtier métallique pour le redresseur aurait tendance à empêcher l'arrivée des impulsions d'énergie transmises à l'antenne réceptrice . 5 L'antenne émettrice 8 associée au redresseur 1 se compose de plusieurs spires qui entourent la cathode 13. Deux fils 27 et 28 relient l'antenne à boucle au générateur de train d'impulsions 7- Pour établir le couplage maximal entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice, on place l'antenne émettrice de 1o préférence dans un plan parallèle au plan de l'antenne réceptrice. Avec une telle disposition, la série d'impulsions d'énergie produite par le générateur 7 est transmise de l'antenne 8 à l'antenne 10 au travers du milieu diélectrique environnant et du boîtier isolant du redresseur. La tension engendrée dans 15 l'antenne réceptrice aura pour résultat l'application au redresseur d'un courant de commande suffisant pour le rendre conducteur. Dans un mode de réalisation de l'invention, on a utilisé les paramètres suivants : Composants Valeur approximative 2o Générateur de train d'impulsions 7 : Source de courant alternatif 17 110 volts, 60 Hz Condensateur 16 0,025 pF Diode 20 G.E. IN538 Thyristor G.E. C137 25 Antenne émettrice 8 5*5 pH Antenne réceptrice TO 18 Redresseur commandé 1 - G.E. 6RW59 Charge h ampoule de 150 Watts Source de courant 3 110 volts, 60 Hz 3o Dans l'exemple décrit plus haut, on a utilisé un seul redresseur commandé et l'élément de commande 6 comprend un oscillateur à transistor unijonction dont le signal de sortie X est synchronisé avec la source de courant 3. On a espacé les deux antennes à boucles de 50 mm ou moins et on a utilisé l'air 35 comme milieu diélectrique. Suivant un autre aspect de l'invention, on a prévu un élément de réaction ou de renvoi d'impulsions qui sert à appliquer un courant supplémentaire de déclenchement à l'électrode de 72 17781 8 2138076 commande des redresseurs commandés. Comme le montre la FIG, 3j on a placé un noyau torique 29 magnétisable autour de l'électrode principale 13 du redresseur 1. Un enroulement à spires multiples 30 est placé sur ce noyau et est branché en parallèle par rap— 5 port à l'antenne émettrice 8. De même, on a disposé autour de l'électrode principale 15 du redresseur 2 un noyau torique 31? sur lequel est placé un enroulement 32 branché en parallèle par rapport à l'antenne émettrice 9« Le fonctionnement du circuit de déclenchement à réaction 1o est le suivant : lorsque la conduction du courant entre l'anode et la cathode du redresseur est amorcée (par suite de l'application de signaux de commande fournis par le générateur de train d'impulsions par l'intermédiaire des antennes émettrices et réceptrices associées), une tension apparaît dans l'enroulement 15 torique couplé magnétiquement. Puisque l'enroulement torique est branché en parallèle par rapport à l'antenne émettrice, il apparaît dans celle-ci une tension qui est transmise au travers du milieu diélectrique à l'antenne réceptrice de façon à appliquer un courant supplémentaire de déclenchement à l'électrode 2o de commande du redresseur. En conséquence, avec le dispositif de réaction suivant l'invention, dès qu'un redresseur a commencé à conduire du courant, on assure une conduction de courant satisfaisante au moyen de ce courant supplémentaire de déclenchement fourni par l'intermédiaire de l'enroulement torique de 25 réaction. En outre, puisque les antennes émettrices associées aux redresseurs sont branchées en parallèle l'une par rapport à l'autre, si un redresseur devient conducteur avant un autre redresseur branché en série, le courant croissant passant dans le 3> premier redresseur conducteur est transmis par l'intermédiaire de son enroulement torique de réaction à l'antenne émettrice associée au second redresseur afin de faciliter sa mise en conduction. Par exemple, si le redresseur 1 est conducteur avant le redresseur 2, le courant croissant passant dans le premier 35 redresseur produit une tension dans son enroulement de réaction associé 30 qui est ainsi couplé avec l'antenne émettrice 9jbranchée en parallèle, du redresseur 2 de sorte que ce redresseur est alimenté en courant de déclenchement de manière accélérer le processus de mise en conduction. 72 17781 9 2138076 Il est évident que le générateur de train d'impulsions utilisable avec le circuit de déclenchement à ré&ction suivant l'invention doit être agencé de façon à former un circuit ouvert entre les séries d'impulsions d'énergie en vue d'empêcher une 5 transmission des signaux de réaction produits par l'enroulement torique. Du fait que l'antenne réceptrice se trouve à l'intérieur du boîtier du redresseur, la distance d1 entre l'antenne réceptrice et la pastille semi-conductrice 21 doit être suffisamment grande (par exemple de 5 mm) pour réduire au minimum 1o la formation de courants de Foucault dans la pastille car ces courants 4 Foucault réduisent l'efficacité de transmission d'énergie atre les antennes émettrices et réceptrices. En outre le diamètre de l'antenne réceptrice doit être tel qu'une distance suffisamment grande d2 (par exemple de 5 mm) sépare l'antenne 15 réceptrice de la surface de la cathode du redresseur afin de réduire au minimum l'apparition de courants de Foucault dans des parties de la cathode adjacentes à sa surface. Il est également évident que l'antenne réceptrice n'a pas besoin d'être enfermée dans le boîtier du redresseur. Au 2o contraire, elle peut être placée à l'extérieur du boîtier à condition qu'elle soit branchée électriquement entre l'électrode de commande du redresseur et sa cathode. En utilisant une antenne réceptrice extérieure, on remédie à l'inconvénient dû aux empêchements de transmission d'énergie et en conséquence on 25 peut enfermer la partie semi-conductrice du redresseur dans un boîtier comportant des parties métalliques. 72 17781 1 o 2138076 REVENDICATIONS 1 — Circuit de déclenchement pour fournir des signaux de commande à l'électrode de commande d'un redresseur commandé à haute tension, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de 5 train d'impulsions agencé pour produire sur commande une série d'impulsions d'énergie, une antenne émettrice reliée au générateur de train d'impulsions et agencée pour transmettre lesdites impulsions, une antenne réceptrice reliée à l'électrode de commande du redresseur commandé et agencée pour recevoir lesdites lo impulsions, ladite antenne réceptrice étant espacée de l'antenne émettrice et étant couplée électromagnétiquement à celle—ci par l'intermédiaire d'un milieu diélectrique de telle sorte que l'électrode de commande soit excitée par les impulsions reçues en vue de rendre conducteur le redresseur commandé. 15 2 - Circuit de déclenchement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le redresseur commandé comprend une pastille semi-conductrice placée à l'intérieur d'un boîtier hermétique et en ce que l'antenne réceptrice est logée à l'intérieur dudit boîtier. 2o 3 — Circuit de déclenchement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites impulsions alternent en polarité et en ce que le redresseur commandé peut être rendu conducteur par des signaux de commande positifs ou négatifs. h — Circuit de déclenchement suivant la revendication 1, 25 caractérisé en ce que lesdites antennes sont des antennes à boucles et en ce que le générateur de train d'impulsions comprend un élément d'emmagasinage d'énergie agencé pour être relié à une source de tension et un interrupteur branché entre l'élément d'emmagasinage d'énergie et les antennes émettrices à 3o boucles, ledit élément d'emmagasinage d'énergie et les antennes émettrices à boucles formant un circuit oscillant qui, lors de la fermeture de l'interrupteur, produit une série d'impulsions d'oscillation. 5 — Circuit de déclenchement suivant la revendication k, 35 caractérisé en ce que lesdites impulsions d'oscillation alternent en polarité et en ce que le redresseur commandé peut être rendu conducteur par des signaux de commande positifs ou négatifs. 72 17781 2138076 6 — Circuit de déclenchement suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un noyau magnétisable torique est placé autour d'une électrode principale du redresseur commandé et en ce qu'un enroulement est placé autour dudit noyau et branché en 5 parallèle par rapport à l'antenne émettrice. 7 - Circuit de déclenchement pour appliquer des signaux de commande aux électrodes de commande d'au moins deux redresseurs commandés à haute tension branchés en série, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de train d'impulsions agencé 1o pour fournir sur commande une série d'impulsions d'énergie, une première antenne émettrice reliée au générateur de train d'impulsions et agencée pour transmettre lesdites impulsions, une seconde antenne émettrice branchée en parallèle sur la première antenne, une première antenne réceptrice reliée à l'électrode 15 de commande d'un premier redresseur commandé et couplée électro— magnétiquement par l'intermédiaire d'un milieu diélectrique à ladite première antenne émettrice, une seconde antenne réceptrice reliée à l'électrode de commande d'un second redresseur commandé et couplée électromagnétiquement par 1'intermédiaire d'un milieu 2o diélectrique à la seconde antenne émettrice, lesdites antennes réceptrices étant agencées pour recevoir lesdites impulsions de façon que lesdites électrodes de commande soient excitées par les impulsions reçues en vue de rendre conducteurs lesdits redresseurs commandés. 25 8 - Circuit de déclenchement suivant la revendication 7» caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier noyau magnétisable torique placé autour d'une électrode principale du premier redresseur commandé, un second noyau magnétisable torique placé autour d'une électrode principale du second redresseur 3o commandé, un premier enroulement placé autour du premier noyau et branché en parallèle sur ladite première antenne émettrice et un second enroulement placé autour du second noyau et branché en parallèle sur ladite seconde antenne émettrice.