Brevet FR2481545A1 — publié le 19811030

La présente invention concerne des perfectionne- ments aux interrupteurs statiques haute tension et s'ap- plique avantageusement à la réalisation d'un générateur haute tension commutable. Il est connu d'utiliser un pont d'interrupteurs commandés électriquement,à base d'éléments semiconduc- teurs,pour fermer un circuit de charge ou bien ouvrir un circuit de décharge haute tension et faire varier ainsi par valeur discrète le niveau de la haute tension destinée à un circuit d'utilisation. Le pont est souvent constitué au moyen d'une pluralité de thyristors connec- tés en série, ayant chacun une diode à avalanche connec- tée en-parallèle et en sens inverse pour la protection contre les surcharges. Le nombre de composants interrup- teurs à placer en série est fonction de la tension maxi- male admissible par le composant et de la haute tension à commuter, ainsi que du coût et de la complexité des circuits de commande. Ces derniers comportent un trans- formateur avec un enroulement primaire couplé à autant d'enroulements secondaires qu'il y a d'interrupteurs à commander. Une réalisation de ce genre est décrite entre autres dans le brevet français nu 72.42259 déposé par la demanderesse et publié sour le n0 2.208.258. Cette technique présente de multiples inconvé- nients. En particulier, pour des réalisations minia- turisées les enroulements pourront être supportés par un noyau de ferrite mais il s'avère difficile d'obtenir un isolement suffisant et un bon couplage, la réparti- tion des flux ne peut être bien équilibrée pour tout les enroulements secondaires et la durée de vie reste assez limitée. L'invention se propose de réaliser un interrup- teur statique haute tension miniaturisé présentant une grande fiabilité qui permet de remédier aux inconvé- nients précités. On pourra se rendre compte en outre qu'il supporte un isolement très important, aisément de plusieurs dizaines de KV, et qu'il peut être fabri- qué aisément à partir d'une cellule ou d'un module de base. Selon une caractéristique de l'invention, il est réalisé un interrupteur statique haute tension dans 1o lequel le couplage entre l'enroulement primaire et les enroulements secondaires s'effectue au moyen de tores empilés le long d'un conducteur isolé unique qui les traverse axialement et qui forme l'enroulement primaire, chaque tore supportant un enroulement secondaire qui commande un composant interrupteur du pont. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent _ Fig.1, un diagramme général d'un interrupteur statique haute tension conforme à l'invention; - Fig.2, un exemple de réalisation d'un interrupteur selon la figure i; - Fig.3, un diagramme simplifié relatif à une applica- tion à un générateur haute tension commutable; - Figs 4 et 5, deux variantes de réalisation d'un in- terrupteur selon l'invention pour permettre un fonctionnement bidirectionnel. En se reportant à la figure 1, l'interrupteur statique haute tension est représenté par le bloc 1. Un pont de n thyristors ou autres composants semi- conducteurs équivalents connectés en série, est repré- senté par les circuits interrupteurs 2a à 2h. Chaque. circuit interrupteur 2j est commandé à partir d'un enroulement secondaire LSj. Les n enroulements se- condaires LSj à LSn sont couplés à un enroulement pri- maire unique LP. Le circuit 3 élabore un signal de commande SC permettant de faire passer un courant dans l'enroulement primaire et consécutivement, par le biais des enroulements secondaires, de commander la fermeture des circuits interrupteurs 2a à 2n. Le cir- cuit est représenté extérieur à l'interrupteur 1 pro- prement dit, étant donné notamment qu'il peut être conçcu pour commander plusieurs interrupteurs statique haute tension. Les bornes A-et B à l'extrémité du pont constituent les bornes de branchement de l'inter- rupteur dans le circuit d'exploitation, entre une source haute tension El et une impédance de charge Zc. Une résistance RS en série avec le pont est générale- ment prévue pour limiter le courant maximal dans cette branche pour les composants interrupteurs. Cette ré- sistance RS peut être disposée dans l'interrupteur 1 comme figuré dans le cas o les conditions d'exploi- tation sont définies à l'avance et par conséquent sa valeur connue, ou montée extérieurement à la demande dans les autres cas sa valeur étant déterminée en con- séquence. Les circuits interrupteurs 2a à 2n sont uni- directionnels comme symbolisés fonctionnellement dans le bloc 2-j et le courant circulant dans le pont a le sens indiqué. En l'état actuel de la technique des semiconduc- teurs à faible puissance, une tenue en tension de l'ordre de 1KV parait devoir être considérée comme une valeur maximale. Dans ces conditions, un pont à base de n composants interrupteurs en série autorise une commutation n'excédant pas n KV. Les semiconducteurs adaptés à cette technique peuvent être des transistors bipolaires, des thyristors ayant un courant de maintien supérieur au courant maximal de la charge Zc, des dis- positifs à effet de champ, etc... Conformément à l'invention, le couplage entre primaire et secondaires est produit au-moye'n de tores TRa à TRn. Chaque tore supporte un enroulement cons- tituant un enroulement secondaire LSj. L'enroulement primaire LP est constitué par un conducteur isolé qui traverse tous les tores sensiblement selon la direc- tion axiale correspondante; l'isolement du fil conduc- teur est déterminé pour tenir la tension de service exigée pour l'interrupteur 1. Le montage est ainsi en fait formé de n transformateurs avec chacun une spire unique au primaire constituée sensiblement par la frac- tion du conducteur LP qui traverse le tore correspondant perpendiculairement à son plan. Selon un mode préféré de réalisation-, les tores sont empilés et le primaire LP est consitué par un élément de câble haute tension dis- - posé selon l'axe commun-des tores. La figure 2 représente un exemple de réalisation poss'ible d'un interrupteur statique haute tension con- forme à l'invention. Le réseau entre les bornes A et B est constitué par un pont de thyristors Qla à Qln, chaque thyristor Qlj étant protégé par une diode à avalanche D3j dont la tension d'avalanche est inférieure à la tension de claquage du thyristor. Chaque module de base comporte, comme représenté pour le module Mj rela- tif au tore TRj deux diodes Dlj et D2j disposés respec- tivement sur les connexions allant des extrémités F et G de l'enroulement secondaire LSj à l'électrode de com- mande, dite gachette, du thyristor Qlj. Le sens de pas- sage du courant dans le câble au travers de chaque tore est tel que l'entrée de l'enroulement primaire Lp connec- tée au point C est en phase avec le point G de l'enrou- lement secondaire. Sur la connexion issue de G une résistance Rlj est interposée. La connexion de retour entre le circuit interrupteur Qlj D3j, correspondant au bloc 2j de la Figure 1, et l'enroulement secondaire LSj parvient à un point intermédiaire H de l'enroule- ment. Entre le point intermédiaire H et les extrémités G et F, l'enroulement comporte respectivement nl et n2 spires. Une capacité Clj ainsi qu'éventuellement une résistance R2j', sont connectées en parallèle entre la connexion de gachette et la connexion de retour. Le circuit de commande 3 reçoit un signal exté- rieur SE de commande de mise en marche de l'interrup- tion 1, le signal SE peut être sous forme binaire la valeur "1" correspondant à la mise en marche et la valeur "0" à l'arrêt. Sur réception du signal SE de valeur "1", le circuit 3 élabore le signal SC formé d'impulsions périodiques de durée T et de période T. Le signal SC est appliqué à un circuit interrupteur Q2 tel un transistor à effet de champ, connecté à une extrémité de l'enroulement LP dont l'autre extrémité C est connectée à un potentiel fixe +Vc d'une alimen- tation continue basse tension annexe, par exemple Vc = +15V. La résistance R3 interposée en série avec l'interrupteur Q2 sert à limiter le courant primaire. Le fonctionnement est le suivant: le signal SE étant égal à "1", le signal SC est délivré et pro- voque la fermeture périodique de l'interrupteur Q2 et l'application à chaque fois de la tension Vc aux bor- nes du primaire LP durant l'intervalle T-. Une première phase de fonctionnement est pro- duite durant l'intervalle T de l'impuision SC, c'est la phase de fonctionnement en direct (dite en "forward" selon la terminologie anglosaxonne). La tension +Vc est appliqué sur l'ensemble des n transformateurs en série. La tension induite e1 sur chaque secondaire entre H et G est voisine de (V - R3IP).nl, Ip étant n. le courant primaire. Cette tension e1 produit un. courant secondaire I51 à travers Dlj et Rlj vers la gachette du thyristor. La tension induite entre F et H ne donne pas lieu à un courant compte tenu du blocage par la diode D2j. Le courant IS1 a sa valeur initiale limitée grâce à la résistance Rlj à une valeur déter-. minée assurant la conduction du thyristor Qlj pour un courant d'anode même inférieur à sa valeur de main- tien, en sorte qu'il ne puisse pas se désamorcer. La durée de cette phase est fonction de la capacité du flux maximal du tore utilisé; ensuite, le courant secondaire diminue exponentiellement par suite de la saturation des transformateurs, le courant primaire étant enfin stabilisé à la valeur IPm = Vc/R3. Une deuxième phase de fonctionnement est pro- duie ensuite durant l'intervalle T - T séparant deux impulsions SC, c'est la phase de fonctionnement en re- tour (dite "flyback" selon la terminologie anglo-sa- xonne). L'énergie emmagasinée dans le tore égale à: W = e LRI2pM, avec LR inductance résiduelle du pri- maire, est restituée dans le circuit secondaire entre H et F donnant naissance à un courant initial iS2 = IPM/n 2. Le rapport d'énergie entre les deux phases de fonctionnement doit être optimisé pour obtenir une mo- dulation du courant suffisamment faible pour être ab- sorbée par le condensateur tampon Clj. Pour un tore donné, les variables à considérer pour ce faire sont les suivantes: la fréquence de fonctionnement, le rapport cyclique du signal impulsionnel SC, le rap- port nl/n2, et les valeurs des résistances Rlj et R3. Dans ces conditions, le courant gachette reste as- suré en permanence. L'arrêt de l'interrupteur 1 résulte de la sup- pression des impulsions SC parsuite du passage à "0" du signal SE. Le blocage est accéléré en dissipant l'énergie emmagasinée grâce à un montage complémentaire représenté utilisant un interrupteur Q3 aux bornes du primaire et qui, devenant conducteur, supprime immé- diatement tout courant secondaire. Lors de la commande d'arrêt, la sortie SA commande la fermeture du transis- tor à effet de champ Q3. La résistance R2j décharge la capacité Clj qui était chargée à la valeur moyenne présentée entre gachette et cathode du thyristor. La résistance R2j peut déjà faire partie du composant in- terrupteur Qlj. La commande de l1interrupteur 1 ainsi aménagée permet un temps de réponse très rapide, de l'ordre de la microseconde. La figure 3 représente une application à un géné- rateur haute tension commutée. destiné à produire cycli- quement une tension ES variable par paliers. Ce type de générateur est envisagé plus particulièrement pour alimenter un tube cathodique du type à pénétration for- mant une impédance de charge consituée par-une capacité faible CL et une résistance élevée RL, en parallèle. Le générateur comporte trois interrupteurs statiques haute tension I3, I2 et Il dont la fermeture successive, les deux autres interrupteurs étant ouverts, permet de pro- duire: ES = El + E2 + E3, puis El + E2 et enfin El au cours d'un cycle. Le montage des trois blocs haute ten- sion El, E2 et E3 en série en facilite leur exécution et est rendue possible par l'utilisation d'interrupteurs statiques haute tension conforme à l'invention. Le pro- blème d'isolement se trouve reporté au niveau des inter- o rupteurs I1, I2 et I3 connectés respectivement entre une borne de sortie positive d'un bloc haute tension et la borne correspondante P de l'utilisation. Les interrupteurs I3 et Il sont unidirectionnels car I3 commute toujours un courant de charge et Il commute toujours un courant de décharge. Les diodes D3a à D3n de l'interrupteur Il assurent le passage du courant per- manent direct du bloc El correspondant au palier bas de tension. Par contre, l'interrupteur 12 doit être bidirectionnel pour commuter un courant positif ou négatif dans la charge. La réalisation de l'interrup- teur 12 peut consister en deux interrupteurs unidirec- tionnels montés tête-bêche en parallèle, ou bien, en un unique interrupteur unidirectionnel monté dans une diagonale d'un pont de quatre diodes haute tension. Deux variantes de réalisation correspondantes sont illustrées sur les figures 4 et 5. Suivant la figure 4, l'interrupteur bidirection- nel 10 resulte d'un montage unidirectionnel dans lequel la série de circuits interrupteurs élémentaires 2j est scindée en deux groupements de ni et n2 circuits res- pectivement et de l'adjonction de deux diodes d'aiguil- lage Dil et D1r2 sur les connexions aux bornes de sortie A3 et B3 de l'interrupteur lO.La diode Dll ayant le sens indiqué autorise la circulation du courant dans le sens A3 vers B3 lorsque les circuits interrupteurs élémentaires sont fermés, inversement le courant peut circuler dans le sens B3 vers A3 à travers D12. Le mon- tage correspond à celui tête-bêche-de deux interrupteurs unidirectionnels la et lb ayant respectivement ni et n2 tores; l'aiguillage par les diodes Dll et D12 per- met d'utiliser l'un des interrupteurs, par exemple la en présence d'un courant de charge et l'autre, lb en l'occurence, dans le cas d'un courant de décharge. Les primaires sont avantageusement réalisés par le câble unique LP1 pour les deux blocs la et lb comman- dés par le circuit 3. Dans une application selon la figure 3, l'interrupteur bidirectionnel I2 doit bloquer soit la tension E2 soit la tension E3, et les interrup- teurs Il et I3 la tension E2 + E3. En considérant que les interrupteurs Il et I3 comportent n tores, l'in- terrupteur 12 comporte également nl + n2 = n tores au total, les valeurs nl et n2 étant déterminées en relation, avec les valeurs E2 et E3. Par exemple, pour E2 = E3 on aura nl = n2 = n/2. Suivant la figure 5 l'interrupteur bidirectionnel 11 est formé par un interrupteur 1 précédemment décrit disposé dans une diagonale d'un pont de quatre diodes -15 haute tension D21, D22, D23 et D24. La deuxième dia- gonale de pont-est connectée aux bornes de raccordement A4 et B4 du montage. Le courant circule toujours de A vers B dans l'interrupteur 1 lorsque celui-ci est fer- mé. Dans le contexte de l'application de la figure 3 pour E2 = E3, un nombre p = n/2 de tores sera suffi-. sant, soit la moitié de celui des interrupteurs Il et 13. La réalisation modulaire peut être obtenue par un montage sur une plaque de céramique des différents éléments semiconducteurs ou composants solides du mo- dule Mj et du tore TRj pourvu de son enroulement LSj. Les connexions de raccordement entre les éléments peu- vent être réalisées selon des techniques de circuit imprimé ou par dépôt. Le support en céramique est per- cé pour livrer passage au câble isolé formant le pri- maire LP. La structure modulaire permet de faciliter la fabrication, les contrôles et la standardisation par groupement du nombre nécessaire de modules. Les conditions d'isolement de l'interrupteur statique haute tension se trouvent reportées au ni- veau de J'élément de câble haute tension formant le primaire LP. Par voie de conséquence, le diamètre du câble isolé impose la taille des tores et des modules. En conclusion, les avantages offerts par la so- lution décrite contribuent à faciliter la réalisation de l'interrupteur haute tension qui peut être construit sous forme miniaturisée, présenteune grande fiabili- té et une rapidité élevée liée à l'utilisation de semiconducteurs. REVENDICATIONS 1 - Interrupteur statique haute tension, compor- tant un réseau de n circuits interrupteurs à commande électrique connectés en série, et des moyens de commande utilisant un transformateur avec un enroulement pri- maire unique couplé à n enroulements secondaires qui sont respectivement connectés aux circuits interrup- teurs, et un circuit annexe élaborant un signal de com- mande appliqué au primaire, caractérisé en ce que le couplage est réalisé au moyen de n tores (TRa à TRn) comportant chacun un enroulement secondaire (LSj), l'enroulement primaire -étant constitué par un fil con- ducteur isolé (LP) qui traverse chaque tore axialement.. 2 - Interrupteur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les tores sont empilés pour pré- senter un axe commun suivant lequel est disposé un élé- ment de câble haute tension formant l'enroulement pri- maire. 3 - Interrupteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir de modules, un module (Mj) comportant un tore (TRj) équipé de son enroulement (LSj) et le circuit interrupteur (2j) associé. 4 - Interrupteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3 et dans lequel les circuits inter- rupteurs sont réalisés en circuits solides par un pont de thyristors connectés en série, ayant chacun en parallèle une diode de protection du type à avalanche, la gachette du thyristor étant connectée à une première extrémité de l'enroulement secondaire de commande cor- respondant, caractérisé en ce que ladite connexion d'extrémité s'effectue à travers une première diode (Dlj) suivie.d'une résistance (Rlj) en série, la deu- xième extrémité (F) de l'enroulement secondaire étant également connectée à la gachette du thyristor à tra- vers une deuxième diode (D2j), la connexion de retour du circuit interrupteur aboutissant à une prise inter- médiaire (H) de l'enroulement secondaire, une capacité (Clj) étant connectée en parallèle entre la gachette du thyristor et la connexion de retour, l'inducteur primaire étant connecté à une source continue annexe (Vc) à travers un dispositif interrupteur (Q2) commandé électriquement par le signal de commande (SC) consti- tué d'impulsions périodiques. 5 - Interrupteur selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce qu'un deuxième dispositif interrupteur est connecté aux bornes du conducteur primaire et est commandé électriquement par un deuxième signal (SA) élaboré par le circuit de commande 3. ' 6 - Interrupteur selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que le circuit de commande reçoit une commande numérique binaire extérieure (SE) pour com- mander la mise en marche et l'arrêt de l'interrupteur, et délivre, pour l'état correspondant à la mise en mar- - 25 che, le signal de commande impulsionnel (SC) fermant périodiquement le premier dispositif interrupteur et, pour l'état correspondant à l'arrêt, le signal 'de com- mande (SA) fermant le deuxième dispositif interrupteur,- lesdits dispositifs interrupteurs étant réalisés avec des transistors à effet de champ. - Variante de réalisation d'un interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, ca- ractérisée en ce que le réseau de n circuits interrup- teurs est scindé en deux groupements ayant respec- tivement ni et n2 circuits en série (avec n = ni + n2), chaque groupement étant connecté par ses extrémités (AI, B1 et A2, B2) à deux bornes de raccordement (A3, B3) pour l'utilisation, lesdites connexions s'effectuant respectivement à travers une diode d'aiguillage (DlI, D12) pour chaque groupement en sorte de permettre le fonctionnement bidirectionnel de l'interrupteur (10). 8 - Variante de réalisation d'un interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, ca- ractérisé en ce que les extrémités du réseau de n cir- cuits interrupteurs sont connectés à une diagonale d'un pont de quatre diodes haute tension (D21, D22, D23, D24), la deuxième diagonale du pont étant connectée à deux bornes de raccordement (A4, B3) pour l'utilisation, en sorte d'autoriser le fonctionnement bidirectionnel de l'interrupteur (11). 9 - Interrupteurs selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 6 et interrupteur bidirectionnel se- ion l'une quelconque des revendications 7 et 8, uti- lisés pour réaliser un générateur haute tension com- mutée, le générateur étant caractérisé par un arran- gement comportant un premier (El), un deuxième (E2) et un troisième (E3) blocs haute tension connectés en sé- rie et reliés respectivement par leur borne de même polarité à travers un interrupteur statique haute ten- sion (Il, I2, I3) à une borne (P) de raccordement pour l'utilisation, le deuxième bloc haute tension (E2) étant raccordé à travers un interrupteur bidirection- nel (I2), le circuit de commande (3) commandant la fermeture successive et séparée des interrupteurs au cours.d'un cycle de fonctionnement pour produire trois paliers de haute tension. - Générateur haute tension commutée utilisant des interrupteurs selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8.