Brevet FR2330193A1 — publié le 19770527

La présente invention concerne un circuit de transfert d'énergie uni-directionnel. Dans les techniques de transfert d'énergie, divers circuits ont été proposés pour fournir à une charge de l'énergie alternative quand le circuit est alimenté seulement par de l'éner gie d'entrée continue. De façon générale, de tels circuits sont appelés onduleurs. Les onduleurs du type à commutation auxiliaire utilisent une paire de thyristors principaux qui sont déclenchés alte-rnativement pour laisser passer de l'énergie vers une charge. Des troisième et quatrième thyristors sont également prévus et sélectivement déclenchés pour décharger une capacité de commutation pour couper le thyristor principal associé alors en conduction la conduction du thyristor auxiliaire ferme une boucle pour décharger la capacité et couper le thyristor principal.Un tel onduleur a commutation auxiliaire?? (aux-comm) est décrit dans le brevet américain nO ).207.974. Dans le fonctionnement d'un tel onduleur à commutation auxiliaire, quand un thyristor auxiliaire est déclenché pour décharger la capacité de commutation et couper le thyristor principal associé, l'énergie tourne autour d'une boucle comprenant le thyristor auxiliaire, la capacité de commutation et une diode associées rechargeant la capacité selon une polarité opposée à celle qui existait juste avant le début de l'intervalle de temps de commutation. Un tel circuit onduleur aux-comm bidirectionnel peut être utilisé comme "hacheur" bidirectionnel (ou convertisseur continucontinu) dont la tension de sortie BO est fonction de la tension d'entrée du hacheur Edcss du temps de conduction Ton et du temps de coupure Toff. C'est-à-dire que E0 est toujours approximativement égal à Un tel hacheur ne présente pas seulement l'avantage évident de permettre à l'énergie de circuler dans l'une ou l'autre direction, mais également l'avantage supplémentaire de fournir une tension de sortie E0 qui est essentiellement indépendante du courant de charge. Dans ces circuits où de l'énergie circule dans une seule direction, le circuit de hacheur peut être constitué d'un seul thyristor principal, d'une diode libre et d'un circuit de commutation associé. Comme le second thyristor principal ne transmettrait aucun courant de charge, il peut être supprimé et un hacheur simple peut être constitué. Dans un tel dispositif, l'équation précédente pour la tension de sortie Eo peut s'appliquer de façon stricte seulement pendant la conduction continue (c'est-à-dire à tout instant donné durant lequel le thyristor ou la diode est conducteur) . Dans le cas d'une charge très faible, ou d'absence de charge, la tension de sortie du hacheur tend à élever le niveau de la tension de ligne d'entrée et devient non contrôlable.Mais, même avec cet inconvénient, des circuits hacheurL; unidirectionnels ont trouvé de nombreuses applications. En conséquence, un objet principal de la présente invention est de prévoir un circuit hacheur aux-comm unidirectionnel comprenant un nombre minimal de composants pour un fonctionnement efficace et économique. Un objet plus particulier de la présente invention est de prévoir un tel circuit hacheur unidirectionnel qui utilise un seul thyristor principal et comprend un circuit simple pour remettre à zéro la capacité de commutation après chaque opération de commutation. Un circuit de transfert d'énergie unidirectionnel du type à commutation auxiliaire, constitué selon la présente invention comprend seulement deux thyristors, dont chacun a une anode, une cathode et une porte. Un conducteur de référence est couplé aux anodes des thyristors, et à une extrémité d'une première bobine. Une paire de conducteurs d'entrée reçoit de l'énergie continue, un seul des conducteurs d'entrée étant Couplé à l'autre extrémité de la première bobine. Une paire de diodes est couplée en série entre les conducteurs d'entrée, dans un sens opposé au sens dans lequel les thyristors sont connectés. Un circuit de commutation, couplé entre les cathodes des thyristors, comprend une capacité connectée en série avec une seconde bobine. Un conducteur de charge est couplé à la liaison commune entre les diodes, à la cathode du thyristor principal, et à un côté du circuit de commutation. Selon la présente invention, un moyen de circuit est couplé au circuit de commutation pour remettre à zéro la capacité de commutation en inversant la polarité de la charge apparaissant aux bornes de la capacité après que le premier thyristor a été déclen ché pour commuter le thyristor principal. Dans un mode de réalisation préféré, ce circuit de-remise à zéro comprend deux diodes supplémentaires. La première diode supplémentaire est couplée en parallèle avec le thyristor auxiliaire, en un sens opposé au sens dans lequel le thyristor auxiliaire est connecté. La seconde diode supplémentaire est connectée en série avec le conducteur de charge, dans un sens qui permet au courant de charge de circuler depuis le thyristor principal par l'intermédiaire de la seconde diode supplémentaire vers la charge. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante, faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels La figure 1 est un diagramme schématique de circuit d'onduleur symétrique aux-comm de l'art antérieur. La figure 2 est un diagramme schématique destiné à aider à la compréhension du fonctionnement de la présente invention. Les figures 3 et 4 sont des exemples schématiques partiels décrivant divers modes de réalisation de la présente invention ; et La figure 5 est un diagramme schématique d'un circuit onduleur asymétrique constituant un mode de réalisation de la présente invention. La figure 1 représente un agencement d'onduleur à commutation auxiliaire de l'art antérieur dans lequel une énergie continue d'entrée est reçue sur des conducteurs d'entrée 11 et 12 et convertie, par une commutation appropriée des thyristors principaux 13 et 14, en une énergie continue en impulsions qui est envoyée sur un conducteur de charge de sortie 15, un filtre 16, et un conducteur de sortie 35 vers une charge 36 représentée comme une simple résistance. Les thyristors principaux 13 et 14 sont connectés en série entre des conducteurs de référence 17 et 18, de même que des thyristors auxiliaires 21 et 22. Un circuit de commutation, comprenant une capacité 23 en série avec une bobine 24, est couplé entre un premier point de raccordement 25 entre les thyristors principaux et un second point de raccordement 26 entre les thyristors auxiliaires. Des bobines supplémentaires 27 et 28 sont connectées comme cela est représenté entre les conducteurs de ligne d'entrée respectifs et les conducteurs de référence, pour aider à la commutation et fournir au circuit une protection pendant la mise en conduction et la coupure des thyristors. Cette protection comprend une protection en dv/dt et en di/dt, une protection de court-circuit dans le cas où les deux thyristors principaux ou bien les deux thyristors auxiliaires seraient déclenchés par inadvertance en même temps et un temps de suppression accru pour le thyristor principal pendant l'opération de commutation. Une paire de diodes 31 et 32 est couplée en série entre les conducteurs d'entrée 11 et 12 dans un sens opposé au sens dans lequel les thyristors principaux sont connectés. Le filtre 16 comprend une bobine 33 en série et une capacité 34 en parallèle. Si on considère le fonctionnement du circuit aux-comm représenté en figure 1, il est initialement supposé que le thyristor principal 13 conduit et que la capacité 23 est chargée selon la polarité indiquée par les symboles à la partie supérieure de cette capacité. Un courant de charge circule sur le conducteur d'entrée 11, la bobine 27, le thyristor principal 13 > le conducteur de charge 15, la bobine 33 et la charge 36 vers la masse. Pour couper le thyristor 13, le thyristor auxiliaire 21 est déclenché pour fermer un circuit de décharge pour la capacité 33. En conséquence, la capacité 23 se décharge sur la diode 31, la bobine 27, le thyristor auxiliaire 21 et la bobine 24 vers l'autre côté de la capacité 23.Cette action de décharge coupe le thyristor principal 13 et, en conséquence, inverse la polarité de la charge aux bornes de la capacité 23 ; sa charge est alors de la polarité représentée par les symboles en dessous de la capacité. Le courant de décharge en provenance de la capacité 23 diminue, et le thyristor auxiliaire 21 est éteint quand il nty a plus de tension directe sensible aux bornes de ce thyristor. Si la charge 36 est inductive et/ou qu'il existe une forte inductance dans le filtre, ceci tend à maintenir le courant de charge circulant vers le conducteur de sortie 15 à cet instant ; la diode 32 ferme un chemin pour que ce courant de charge circule après que les deux transistors 13 et 21 ont été coupés. Pour fournir un flux d'énergie inverse en provenance de la charge 36-aux conducteurs d'entrée 11 et 12, le second thyristor principal 14 est déclenché pour fermer un chemin pour le flux de courant en provenance de la charge par l'intermédiaire du filtre 16, du conducteur de charge 15, du thyristor principal 14 et de la bobine 28 vers le conducteur d'entrée 12. Pour couper le thyristor principal 14, l'autre thyristor auxiliaIre 22 est déclenché pour fermer un chemin de décharge pour la capacité 23. Le courant de décharge circule alors dans la boucle comprenant la bobine 24, le thyristor auxiliaire 22, la bobine 28 et la diode 32 vers l'autre côté de la capacité 23. Ainsi, la polarité de la charge sur la capacité 23 est à nouveau inversée -ou remise à son état initialcomme cela est indiqué par les symboles + et - au-dessus de la capacité.Si une charge très inductive et/ou une inductance de filtre grande tend à maintenir la circulation de courant après que les thyristors 14 et 22 sont tous deux coupés, la diode 31 ferme le chemin de retour. Dans certaines applications, le circuit aux-comm représenté en figure 1 agit comme un hacheur unidirectionnel. C'est-àdire que l'énergie peut circuler dans une seule direction. Le sens du flux moyen de l'énergie est déterminé par le cycle de travail et les valeurs relatives des tensions d'entrée et de sortie. La tension de sortie moyenne Eo, comme cela a été noté précédemment est égale à Si une source active, telle qu'unie batterie fournissant une tension Eb, est connectée à la sortie de la borne du filtre et en supposant qutil existe une certaine résistance de limitation R dans le filtre, alors un courant de sor tie moyen i circulera ; ce courant est égal à R h.Si Eo est o R o supérieure à Eb, le courant Io sera positif. Si Eh est supérieur à E0 le courant 10 sera négatif, et le courant moyen circulera à partir de la batterie quand de l'énergie est fournie par la batterie. Dans des conditions de faible charge, les thyristors 13 et 14, et les diodes 31 et 32 transmettent tous du courant pendant une partie du cycle (en négligeant le courant de commutation). Quand la charge augmente, les courants dans une diode et son thyristor complémentaire (tel$ que 32 et 13 ou 31 et 14) diminuent et finalement passent à zéro. Dans de telles conditions, ces deux composants peuvent autre éliminés sans affecter le fonctionnement du circuit. Le hacheur unidirectionnel selon la présente invention peut être utilisé quand (1) un flux d'énergie bidirectionnel n'est pas requis et (2) de très faibles charges ne doivent pas être maniées. Dans le premier cas, il apparaltra à l'homme de l'art que ceci peut être facilement accompli en supprimant simplement le second thyristor principal 14, en maintenant le second thyristor auxiliaire 22 pour remettre à zéro la charge sur la capacité 23. Un tel circuit fonctionnera. Mais la tension maximale aux bornes du thyristor 22 est égale à la tension de ligne continue plus la tension aux bornes de la bobine 27 après que le courant de commutation a atteint une valeur de crête et commence à diminuer.Dans un circuit pratique, avec une tension de ligne de 1.000 volts, le second thyristor auxiliaire 22 est soumis à une tension de 50 % supérieure à la tension de ligne. Pour éviter ce problème de tension, il est souhaitable d'éliminer le thyristor 22 également, mais alors quelques no-uveaux moyens doivent être prévus pour remettre à zéro la capacité 23. Dans un premier essai pour fournir une telle remise à zéro, un circuit de hacheur "à une patte" peut être prévu comme cela est représenté en figure 2, sans les thyristors supplémentaires 14 et 22. Au lieu de cela, un circuit de remise à zéro comprenant une troisième diode 40 est prévu pour remettre à zéro la polarité de la charge apparaissant aux bornes de la capacité 23 après chaque cycle de commutation. La troisième diode 40 est couplée en parallèle avec le thyristor auxiliaire 21, dans un sens opposé au sens selon lequel le thyristor auxiliaire est connecté. L'homme de l'art notera que, avant le fonctionnement du circuit représenté en figure 2 comme hacheur unidirectionnel, la tension d'alimentation est d'abord appliquée entre les conducteurs 11 et 12 et le thyristor (SCR) 21 est alors déclenché. Quand le thyristor 21 est déclenché, un chemin pour le flux de courant est fermé à partir du conducteur ll par l'intermédiaire de la bobine 27, du conducteur 17, du thyristor 21, du circuit de commutation 24 > 23, du conducteur 15, du filtre 16 et de la charge continue 36 vers la masse. Ce flux de courant charge la capacité 23 avec une polarité telle que celle qui est indiquée par les symboles + et - en dessous de la capacité 23. Alors, le thyristor 21 est coupé. A la suite de la première impul Sinon du thyristor 13 pour laisser passer du courant sur ce commutateur à semi-conducteur et la ligne de sortie 15 vers la charge 36, la charge accumulée sur la capacité 23 est déchargée par l'intermé diaire de la bobine 24, de la diode 40 et du thyristor 13 vers l'autre capoté de la capacité 23. En conséquence, ceci inverse la charge sur la capacité et elle est préparée à fournir énergie de coupure requise pour faire commuter le thyristor 13 quand le thyristor auxiliaire 21 est ensuite déclenché. Mais ce circuit a des limitations, le problème principal étant celui de l'énergie en anneau" sur la capacité de commutation 23. De façon plus détaillée, le problème fondamental de l'an- neau se produit à la suite de l'introduction de la diode 40. Quand le thyristor auxiliaire 21 a été coupé, la capacité 23 se charge au-dessus de la tension de ligne avec la polarité indiquée par les symboles en dessous de cette capacité. Elle essaie ensuite de se décharger vers la ligne par l'intermédiaire de la bobine 24, de la diode 40 et de la bobine 27 du premier coté. I1 y a alors deux chemins possibles de l'autre côté, à savoir, la diode 32 et la combinaison bobine-capacité du filtre de sortie. Dans des conditions de conduction continue, la diode 32 conduira et le dernier chemin est sans importance. Dans ce cas, la capacité chutera par le chemin en anneau en dessous de la tension de ligne d'autant qu'elle était surchargée dans le premier cas. En d'autres termes, si la tension de ligne est de 600 volts et que la capacité se surcharge à 800 volts dans la première partie du processus de commutation, elle se déchargera ensuite en anneau à environ 400 volts. Dans un état de conduction discontinuedu circuit de la figure 2, le chemin en anneau est complété par le filtre LC 16 quand la diode 32 arrête de conduire. La tension sur la capacité 34 tend à ramener du courant par l'intermédiaire de l'inductance 33 du filtre, de la capacité 23, de la bobine 24, de la diode 40 et de la bobine 27 vers la source. Puisque la capacité 34 est maintenant une source active de quelques milliers de microsecondes, elle tend à charger la capacité de commutation 23 dans un sens opposé à celui représenté par les indications de polarité en dessous de la capacité. La charge de la capacité peut alors être réduite de fa çon désastreuse et provoquer un défaut de commutation subséquent. En conséquence, quelques moyens doivent être prévus pour éviter cet anneau. Selon la présente invention, une diode supplémentaire peut être ajoutée à l'agencement de remise à zéro de la figure 2 pour empêcher le bouclage en anneau de l'énergie par l'un quelconque des chemins décrits précédemment. En figure 3, une diode de blocage 41a est connectée de sorte que son anode est couplée au point de raccordement de la capacité 23 et de la cathode du thyristor 13, et que sa cathode est couplée à la. fois au conducteur de charge 15 et au point de raccordement entre les diodes 31 et 32. En figure 4, la diode supplémentaire ou quatrième diode 41b est couplée en série avec le conducteur de ligne 11, sa cathode étant connectée au point de raccordement de la bobine 27 et de la cathode de la diode 31. Avec ces agencements, le problème du bouclage en anneau précédemment décrit est évité.Mais, en mettant en oeuvre ces circuits, il s'est avéré que la quantité de tension imposée aux thyristors était telle qu'elle milite contre l'utilisation de ces circuits dans des environnements pratiques à haute tension. En outre, le couplage de la diode ajoutée dans la boucle de commutation (figure 3) nécessiterait l'utilisation d'une diode plutôt grande en raison de l'impulsion de commutation. En particulier, selon la présente invention, le hacheur "à une patte" décrit en figure 5,a été développé et utilisé dans un mode de réalisation préféré de la présente invention. Comme cela est représenté, la quatrième diode 41 a sa cathode couplée au conducteur de sortie 15 et son anode couplée au point de raccordement des diodes 31, 32, à la cathode du thyristor 13 et à une borne de la capacité 23. Ce circuit permet un certain bouclage en anneau à travers la diode 32 mais évite le bouclage en anneau en réaction très gênant en provenance du filtre LC 16 par l'intermédiaire du conducteur de charge 15. I1 s'est avéré que la tension de crête des thyristors est seulement de 10 à 15 % supérieure à la tension de ligne d'entrée avec l'agencement de la figure 5. Un aspect important de la présente invention réside dans l'analyse des circuits aux-comm connus tels que celui décrit en figure 1 quand ils sont utilisés comme convertisseurs continu continu unidirectionnels. En particulier, cette analyse a été utilisée pour optimiser un circuit de hacheur unidirectionnel qui est peu exigeant en ce qui concerne les caractéristiques dynamiques des dispositifs à thyristor, comprenant les caractéristiques en dv/dt, en di/dt et de tension directe. Seulement deux diodes 40, 41 (voir figure 5) sont utilisées ensemble pour effectuer la remise à zéro de la charge aux bornes de la capacité et pour empêcher le bouclage en anneau de la capacité de commutation à partir du circuit de filtrage. On notera que dans les revendications qui suivent, le terme "connecté" désigne une connexion en continu entre deux composants avec une résistance en continu pratiquement nulle entre ces composants. Le terme "couplé" indique qu'il y a une relation fonctionnelle entre deux composants, en ménageant la possibilité d'unein- terposition d'autres éléments entre les deux composants décrits comme "couplés" ou "intercouplés". La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Circuit de transfert d'énergie unidirectionnel du type à commutation auxiliaireJ caractérisé en ce qu'il comprend seulement deux thyristors (13, 21) ayant chacun une anode, une cathode et une porte, connectés pour agir comme thyristor principal (13) et comme thyristor auxiliaire (21) - un conducteur de référence (17) couplé aux anodes des deux thyristors - une première bobine (27) ayant une extrémité couplée au conducteur de référence - une paire de conducteurs d'entrée (11, 12) pour recevoir une énergie d'entrée continue, l'un des conducteurs d'entrée (11) étant couplé à 1 t autre extrémité de la première bobine ; - une paire de diodes (31, 32) couplées en série entre les conducteurs d'entrée, dans un sens opposé au sens selon lequel les thyristors sont connectés ;; - un circuit de commutation couplé entre les cathodes des thyristors, comprenant une capacité (23) connectée en série avec une seconde bobine (24) - un conducteur de charge (15) couplé à la connexion commune entre les diodes, à la cathode du thyristor principal et à une extrémité du circuit de commutation ; et - un circuit de remise à zéro couplé au circuit de commutation agissant pour remettre à zéro la capacité de commutation en inversant la polarité de la charge apparaissant aux bornes de la capacité après que le thyristor auxiliaire a été déclenché pour faire commuter le thyristor principal. 2 - Circuit de transfert d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de remise à zéro comprend une troisième diode (40) couplée en parallèle avec le thyristor auxiliaire, en un sens opposé au sens selon lequel le thyristor auxiliaire est connecté et une quatrième diode (41) connectée en série avec le conducteur de charge dans un sens qui permet au courant de charge de circuler par l'intermédiaire du thyristor.principal et de la quatrième diode vers la charge. 3 - Circuit de transfert d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de remise à zéro comprend une troisième diode (40) couplée en parallèle avec le thyristor auxi liaire dans un sens opposé au sens selon lequel le thyristor auxiliaire est connecté, et une quatrième diode (41a) ayant son anode couplée à la fois à la cathode du thyristor principal et à un côté du circuit de commutation, et ayant sa cathode couplée à la fois au conducteur de charge et à la connexion commune entre la paire de diodes, dans un sens qui permet au courant de charge de circuler par l'intermédiaire du thyristor principal et de la quatrième diode vers la charge. 4 - Circuit de transfert d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de remise à zéro comprend une troisième diode (40) couplée en parallèle avec le thyristor auxiliaire dans un sens opposé au sens selon lequel le thyristor auxiliaire est connecté et une quatrième diode (41b) couplée entre le premier conducteur d'entrée et la première bobine, dans un sens qui laisse passer le courant à partir du conducteur d'entrée par l'intermédiaire de la première bobine vers le thyristor principal.