Brevet FR2438385A1 — publié le 19800430

La présente invention concerne un procédé d'extinction, ou blocage, d'un thyristor ainsi qu'un circuit destiné à la mise en oeuvre du procédé. On sait que les thyristors sont rendus conducteurs dans le sens direct par des impulsions de courant d'amor çage, ou allumage, qui sont amenées aux électrodes de commande. L'extinction (retour à l'état bloqué) se réalise soit en ramenant chaque fois le courant de charge à une valeur inférieure au courant de maintien nécessaire au fonctinnnement du tyristor soit au moyen d'impulsions de courant d'amorçage de polarité opposée. Les circuits permettant d'éteindre des thyristors de la manière décrite ci-dessus sont compliqués. En particulier dans les thyristors de puissance des flux d'énergie relativement importants sont engendrés dans les circuits d'extinction et ces flux doivent autre contrbléspar de nombreux composants motteux (voir l'ouvrage de Amrein et collaborateurs intitulé "Silizium Stromrichter Handbuch", AG Brown Boweri & Cie, lère édition, Baden, 1971, pages 134 à 140). L'invention permet de remédier à ces inconvénients. Selon l'invention, l'extinction d'un thyristor est obtenue en dérivant, au moins pendant le temps de libération ou commutation dudit thyristor, le courant traversant ce dernier vers un composant monté en parallèle et en sens inverse par rapport audit thyristor et présentant une charge récupérée, ou charge de retard du blocage, intrinsèque sélectionnée. Le thyristor est ainsi amené à l'état bloqué après un temps de commutation qui dépend de son mode de réalisation et des conditions de fonctionnement. La charge récupérée est celle qui est accumulée après passage de la polarisation en sens direct à la polarisation en sens inverse. Ce procédé est particulièrement avantageux dans le cas de thyristors de puissance et offre non seulement des avantages sur le plan économique mais permet en outre d'accroitre la sûreté de fonctionnement en comparaison des procédés classiques. La charge récupérée résulte dans le cas d'une diode, de l'effet dit d'emmagasinage ou d'accumulation de porteurs. Lorsque ce procédé d'extinction est utilisé, la diode subit un courant inverse voulu qui a pour effet de la faire fonctionner en tant que diode d'extinction. Par conséquent, en enregistrant simplement le courant inverse d'une diode en fonction du temps sur un oscillographe, on peut mesurer la durée de commutation de la diode et choisir des composants adaptés au temps de libération du thyritor utilisé. Le critère à respecter en ce qui concerne ce choix est le suivant : la charge récupérée doit être supérieure au produit du temps de libération par le courant de thyristor à éteindre. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend, en tant que composant présentant une charge récupérée, un semi-conducteur comportant au moins une jonction P-N et en ce que la durée de vie de sa charge récupérée est fixée d'avance par l'utilisation de cristaux purs et/ou par l'absorption de gaz résiduels au moyen d'un ìxateur,ou "getter". Une variante du dispositif suivant l'invention, particulièrement appropriée à un thyristor présentant un court temps de libération ou commutation, consiste en ce que le composant présentant une charge récupérée comporte au moins une jonction P-N et en ce que la durée de vie de sa chargé récupérée est préétablie par l'introduction d'or en tant qu'impureté dans la couche N. Ce montage permet aux charges récupérées excédentaires d'etre annulées au cours d'un laps de temps minimal après le temps de libération. Suivant une autre variante du dispositif suivant l'invention, qui permet d'obtenir d'une part encore une meilleure adaptation au temps de libération du thyristor, en particulier lorsque des diodes présentant des charges récupérées et puissances appropriées ne sont pas disponibles, et d'autre part une adaptation convenable lorsqu'une diode montée en parallèle et en sens inverse par rapport au thyristor n'est pas désirable, le composant présentant une charge récupérée et un thyristor ou un diac (diode bidirectionnelle) ou un triac (triode bidirectionnelle). Suivant une autre forme de réalisation avantageuse du dispositif suivant l'invention le composant présentant la charge récupérée est constitué par plusieurs diodes individuelles montées en parallèle. Ceci permet de fabriquer des circuits d'extinction d'une manière très économique. Par ailleurs, pour permettre au courant traversant le thyristor à l'état conducteur d'etre dérivé vers le composant présentant une charge récupérée, on peut prévoir un g éra- teur d'impulsions qui comporte un noyau annulaire et au centre duquel est monté le thyristor. Cette forme de réalisation permet de réduire l'inductance de fuite du transformateur d'impulsions. Une forme de réalisation avantageuse du dispositif suivant l'invention consiste en outre en ce qu'il est disposé dans une enveloppe formée essentiellement de deux éléments de refroidissement qui servent en même temps de connexions électriques. Cette forme de réalisation permet non seulement de disposer les composants d'une manière peu encombrante mais en outre d'obtenir de bonnes conditions de fonctionnement sur le plan thermique et de raccourcir les connexions électriques entre les composants. Suivant une autre caractéristique du dispositif de l'invention une impulsion négative de courant auxiliaire de désamorçage est amenée à l'électrode de commande du thyristor pour diminuer le temps de libération du thyristor; cette variante permet de réduire la charge récupérée requise de sorte que l'ensemble du circuit d'extinction peut etre réalisé d'une manière plus économique. L'invention est expliquée plus en détail ci-dessous à l'aide des dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente sous forme de schéma de principe un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, - la figure 2 représente schématiquement à titre d'exemple un montage suivant l'invention utilisé dans un redresseur; - la figure 3 représente schématiquement à titre d'exemple un montage suivant l'invention utilisé dans un onduleur;et - lEs figures 4 et 4a montrent une forme de réalisation du circuit secondaire d'un transformateur d'impulsions à très faible inductance. Suivant le schéma de la figure 1 un circuit d'extinction LK est monté en parallèle sur un thyristor 1. Be circuit d'extinction IX est constitué par un composant 2 monté en parallèle et en sens inverse par rapport au thyristor 1 et présentant une charge récupérée et par un générateur d'impulsions 4 équipé d'un transformateur d'impulsions 3. Le sens d'enroulement du transformateur d'impulsions 3 est symbolisé aux figures 1 et 2 par la position que des points occupent l'un par rapport à l'autredu cté du primaire et du cté du secondaire. Dans le cas le plus simple le composant 2 présentant une charge récupérée est une diode à semi-conducteur. Tout autre composant présentant une caractéristique de durée de commutation analogue peut cependant être utilisé dans le procédé suivant l'invention. Pour éteindre le thyristor 1 un courant de charge IL passant par le thyristor 1 à l'état conducteur est transféré au moyen de l'enroulement secondaire du transformateur d'impulsions 3 au composant à charge récupérée 2, ce dernier ayant été chargé précédemment par un courant positif traversant le circuit par l'intermédiaire du thyristor 1. Au bout d'un temps de libération ou commutation qui peut être d'environ 5 à 50 microsecondes selon le mode de réalisation du thyristor 1 et ses conditions de fonctionnement, celui-ci revient à son état bloqué. Le nouvel allumage du thyristor 1 se réalise de manière connue au moyen d'une impulsion de courant d'amorçage appliquée à son électrode de commande St. Comme représenté à la figure 2; le procédé peut etre appliqué de manière simple à un redresseur. Sur cette figure des éléments constitutifs analogues à ceux représentés sur la figure 1 sont désignés de la même manière. La tension de secteur U1 est appliquée aux bornes A, B du redresseur. Entre un condensateur bloc 8 relié aux bornes A, B du redresseur et une charge LA est monté un thyristor 1 avec le circuit d'extinction correspondant LK. En parallèle sur la charge LA (machine électrique) représentée par un schéma équivalent comprenant une inductance L, une résistance R et une force contre-électromotrice E0 est montée de manière connue en soi une diode dite libre 9. Dans le circuit d'extinction LK est montée en parallèle et en sens inverse par rapport au thyristor 1 une diode d'etinction 2 en tant que composant à charge récupérée 2. Entre la cathode du thyristor 1 et l'anode de la diode d'extinction 2' est monté l'enroulement secondaire d'un transformateur d'impulsions 3. Les enroulements primaire et secondaire du transformateur d'impulsions 3 sont reliés entre eux d'un cté et présentent l'un par rapport à l'autre un sens d'enroulement opposé. Un condensateur d'extinction 7 est monté en série à l'autre extrémité de l'enroulement primaire du transformateur d'impulsions 3; la seconde borne du condensateur d'extinction 7 est reliée d'une part à l'anode d'un thyristor d'extinction 5 et d'autre part à la cathode d'une autre diode libre 6. La cathode du thyristor d'ex tinction 5 et l'anode de la diode libre 6 n nt reliées entre elles ainsi qu'à l'anode du thyristor 1. Pour des raisons de simplification on n'a pas représenté les circuits dont les électrodes de commande St du thyristor 1 et du thyristor d'extinction 5 doivent être équipées pour produire l'impulsion de courant d'allumage. Le mode de fonctionnement du montage décrit ci-dessus est relativement simple et présente précisément pour cette raison de grands avantages surè plan pratique. Le courant de charge IL traverse la charge LA et passe ensuite dans la diode libre 9. Puis le thyristor 1 se trouve bloqué; le condensateur d'extinction 7 se trouve alors porté au potentiel de la tension de secteur U1 (également appelée tension de circuit intermédiaire). Une impulsion positive de courant d'amorçage appliquée à l'électrode de commande St du thyristor 1 rend celui-ci conducteur dans le sens direct. Le courant de charge IL se trouve commuté de façon à passer de la diode libre 9 au thyristor 1; la tension U1 aux bornes du condensateur d'extinction 7 reste maintenue. L'allumage du thyristor d'extinction 5 ayant été réalisé de manière connue, il s'établit par suite de l'inductance de fuite du transformateur d'impulsions 3, en combinaison avec le thyristor d'extinction 5 et le condensateur d'extinction 7, un circuit oscillant série. Le courant passant par ce circuit oscillant est dans le transformateur d'impulsions 3 transformé de manière connue dans le rapport 50 et traverse la diode d'extinction 2' (en char geant celle-ci) et le thyristor 1. Au cours de l'alternance négative du courant le thyristor 1 est amené à l'état bloqué. Le courant de charge IL traverse alors la diode d'extinction 2' dans le sens inverse en tant que courant de retour jusqu'à ce que les porteurs de charge libres de la charge récupérée se trouvent recombinés. Après coupure du courant de retour le courant de charge IL est commuté et envoyé sur la diode libre 9. Le condensateur d'extinction 7'est à nouveau chargé par l'intermE- diaire de la diode libre 6. Ce processus se répète. Un onduleur, ou convertisseur continu-alternatif, comporte à des fins d'extinction un montage du type représenté sur la figure 3. Une source de tension U est reliée par son pdle positif o à l'anode d'un thyristor de charge 10, à la cathode d'une première diode d'extinction 2' et à une extrémité de l'enroulement secondaire d'un transformateur d'impulsions 3. Le ple négatif de la source de tension UO est relié à une borne d'un condensateur d'extinction 7, à la cathode d'un thyristor d'extinction 5, à l'anode d'une seconde diode d'extinction 6, à l'anode d'une autre diode d'extinction 2" et à une extrémité de l'ènroulement secondaire d'un autre transformateur d'impulsions 3'. Les extrémités des enroulements primaires des transformateurs d'impulsions 3 et 3' sont reliées entre elles. Une paire de ces extrémités communes aux enroulements primaires est connectée à la cathode du thyristor de:charge 10 et à l'autre borne du condensateur d'extinction 7. La seconde paire d'extrémités communes aux enroulements primaires est reliée à l'anode du thyristor d'extinction 5 et à la cathode de la diode libre 6. Un thyristor 1 est relié par son anode à l'autre extrémité de l'enroulement secondaire du transformateur d'impulsions 3. La cathode du thyristor 1 est reliée à l'anode d'un autre thyristor 1' dont la cathode est à son tour reliée à l'autre extrémité de l'enroulement secondaire du transformateur d'impulsions 3'. Des diodes libres 9 et 9' sont montées en parallèle et en sens inverse respectivement par rapport aux thyristors 1 et 1'. La cathode de la diode d'extinction 2" et l'anode de la diode d'extinction 2' ainsi que la cathode du thyristor 1 et l'anode du thyristor 1' sont reliées entre elles et connectées à la cathode de la diode libre 9' et à l'anode de la diode libre 9, ces dernières cathode et anode étant à leur tour reliées entre elles. Aux bornes de ces connexions communes d'électrodes apparat la tension de sortie U2 dé l'onduleur. D'une manière analogue au montage représenté schématiquement sur la figure 1, dans le montage qui vient autre décrit un courant de charge est périodiquement transféré des thyristors 1, 1' aux diodes d'extinction 2', 2" montées en parallèle et en sens inverse par rapport aux thyristors 1, 1' jusqu'à ce que ces derniers se trouvent en fonction de leur temps de commutation spécifique amenés chaque fois à l'état bloqué. Le condensateur d'extinction unique 7 est utilisé dans ce montage par les deux circuits d'extinction 'lKî et LK2. Ce condensateur d'extinction est chargé par l'intermédiaire du thyristor de charge 10. Les deux diodes libres 9 et 9' servent à nouveau de manière connue à véhiculer le courant dans la phase bloquée des thyristors 1 et 1'. Par ailleurs, des charges récupérées excédentaires se produisant pendant le temps de commutation des diodes d'extinction 2' et 2" et donc les courants inverses résultant de ces charges sont également dérivés par l'intermédiaire des diodes libres 9, 9'. Afin d'éviter des courants de coupure indésirables il faut utiliser en tant que diodes libres 9, 9' des diodes dites rapides présentant une charge récupérée minimale. La caractéristique de durée de commutation de diodes peut être influencée lors de leur fabrication par les procédés les plus divers tels que ceux indiqués ci-dessous. Des diodes "rapides" peuvent être obtenues en introduisant de l'or dans le cristal (voir l'article de J.M. Fairfield et B.V. Gokhale publié sous le titre "Control of diffuses diode recovery time through gold doping" dans la revue Solid State Electronics, 1966, volume 9, pages 905 à 907). Une prolongation relative de la durée de vie d'une charge récupérée est obtenue par exemple par l'utilisation de cristaux purs ou par absorption de gaz au moyen d'un fixateur, ou "getter" (voir l'article de C.T. Sah, R.N. Noyce et W. Shockley publié sous le titre "Carrier Generation and Recombination in P-N Junctions and P-N Junctions Characteristics" dans la revue Proc. of the IRE, 1957, volume 45, page 1228 ainsi que l'article de M.H. Crowel, T.M. Buck, E.F. Labuda, J.V. Dalton et E.J. Walsh publié sous le titre "A Camera Tube with a Silicon Diode Array Target" dans la revue Technical Journal , 1967, volume 47, n02, pages 491 à 495). Par ailleurs, l'implantation d'ions constitue un moyen éminemment apte à déterminer à l'avance la charge récupérée de composants à semi-conducteur (voir la publication de H. Ryssel et I. Ruge intitulée "lonenimplantation", B.G. Teubner Stuttgart, 1978, page 224). Une forme de réalisation préférée du circuit secondaire d'un transformateur d'impulsions 3 associé à un thyristor 1 et à deux diodes d'extinction 2' et enterré dans une enveloppe 12 est représentée en coupe à la figure 4. La vue de dessus schématique correspondante (figure 4S) montre que l'encombrement du montage ainsi agencé est réduit et que ce montage présente une faible inductance; les connexions A' et A" de l'enroulement d'un noyau annulaire 13 sont également visibles sur cette figure. L'enveloppe 12 est constituée essentiellement par les éléments de refroidissEment 11 et 11'. Elle permet d'une part des conditions rationnelles de refroidissement par air, en particulier également au niveau du noyau annulaire 13 du transformateur d'impulsions 3, et offre d'autre part la possibilité, grâce à son haut pouvoir de dissipation de chaleur déterminé par sa matière constitutive et sa forme, de soumettre les composants à semi-conducteur utilisés à de fortes intensités dynamiques. En outre, il suffit de prévoir de très courtes connexions électriques V, V' entre la diode d'extinction 2' composée de deux diodes individuelles 2'a et 2'b montées en paral lèle et le thyristor 1. Avantageusement, des éléments de refroidissement en aluminium 11 et 11' servent en même temps de connexions électri ques V et V'. Le procédé et le montage suivant l'invention ont fait leurs preuves notamment dans l'électronique de puissance et sont dans un large domaine applicables universellement. REVENDICATIONS 1. Procédé d'extinction d'un thyristor, caractérisé en ce que le courant de charge (IL) traversant le thyristor (1) à l'état conducteur est dérivé vers au moins un composant (2), monté en parallèle et en sens inverse par rapport au thyristor (1) et présentant une charge récupérée, de telle manière que le thyristor (1) soit ramené à l'état bloqué au cours d'un temps de libération qui dépend de son mode de réalisation et des conditions de fonctionnement. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant à charge récupérée (2) comporte au moins une jonction P-N et en ce. que la durée de vie de sa charge récupérée est déterminée à l'avance par l'utilisation de cristaux purs et/ou par absorption de gaz au moyen d'un fixateur, ou "getter". 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le composant à charge récupérée (2) comporte au moins une jonction P-N et en ce que la durée de vie de sa charge récupérée est déterminée à l'avance par l'induction d'or dans la couche N. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le composant à charge récupérée (2) est un thyristor ou un diac (diode bidirectionnelle) ou un triac (triode bidirectionnelle). 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le composant à charge récupérée (2) est constitué par plusieurs diodes individuelles (2'a, 2'b) montées en parallèle. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que pour permettre au courant traversant le thyristor à l'état conducteur d'être transféré au composant'à charge récupérée (2) on prévoit un générateur d'impulsions (4) qui comprend un noyau annulaire (13) et au centre duquel est disposé le thyristor (1). 7. Dispositif selon la revendication 5 ou bArevendication 6, caractérisé en ce qu'il est logé dans une enveloppe (12) constituée essentiellement par deux éléments de refroidissement 11 et 11' qui servent en même temps de connexions électriques V , V'. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une impulsion négative de courant auxiliaire de désamorçage est amenée à l'électrode de commande St du thyristor 1.