Brevet FR2550399A1 — publié le 19850208

Dispositif d'aide à la commutation La présente invention se rapporte aux circuits d'aide à la commutation d'interrupteurs statiques dans les convertisseurs d'énergie électrique tels que, par exemple, des hacheurs ou des onduleurs. Ces interrupteurs statiques sont en général réalisés à l'aide de transistors, thyristors simples ou à extinction par la gâchette appelés dans ce dernier cas G T O ( de l'anglais Gate turn off). Un circuit d'aide à la commutation est souvent associé à ces composants pour limiter les surtensions et la vitesse de croissance de la 10 tension à leurs bornes lors de leur ouverture Il renferme, en règle générale, une capacité en parallèle sur l'interrupteur statique qui se charge à chaque ouverture de l'interrupteur statique et se décharge en dehors de ces instants. Le circuit d'aide à la commutation connu le plus simple est formé 15 d'un dip 8 le qui se connecte en parallèle sur l'interrupteur statique et qui comporte ladite capacité montée en série avec une diode placée dans le même sens que l'interrupteur statique et shuntée par une résistance. La diode constitue le circuit de charge du condensateur tandis que la résistance et l'interrupteur statique forment le circuit de décharge du 20 condensateur. Cette configuration présente un inconvénient majeur: l'énergie emmagasinée dans le condensateur à chaque ouverture de l'interrupteur statique est entièrement dissipée dans la résistance par effet joule lors de la fermeture de l'interrupteur statique ce qui a pour effet de 25 détériorer le rendement de la conversion d'énergie Si ces pertes sont aisément dissipables dans des convertisseurs statiques de puissance relativement faible, il n'en est plus de même lorsque les interrupteurs statiques doivent couper des courants de quelques centaines (voir de quelques milliers) d'ampères sous des tensions pouvant dépasser le mil30 lier de volts De plus, les pertes dans ces dispositifs étant proportionnelles à la fréquence de commutation de l'interrupteur cette configuration n'est envisageable qu'aux fréquences relativement faibles. Un deuxième inconvénient réside dans le fait que la vitesse de croissance du courant de décharge de la capacité dans l'interrupteur 35 statique est très grande (cette vitesse de croissance n'étant limitée que par des inductances parasites du montage) et provoque des pertes de commutation importantes. On connait d'autres configurations plus complexes de circuits d'aide à la commutation permettant de réduire les pertes par récupéra5 tion de la charge du condensateur d'aide à la commutation, notamment un circuit utilisé dans le cadre d'un onduleur et décrit à la page 1589 du compte rendu de la Conférence Internationale sur l'Electronique de Puissance à Tokyo en avril 1983 Ce circuit comporte, en série avec la résistance du circuit de décharge du condensateur d'aide à la commuta10 tion, le primaire d'un transformateur dont le secondaire est connecté en récupération sur la source d'énergie au moyen d'un ensemble redresseur. La présence de la résistance de décharge qui reste obligatoire pour limiter la durée du courant primaire magnétisant du transformateur lorsque la charge du condensateur d'aide à la commutation a été annulée et 15 que le primaire du transformateur se retrouve bouclé sur lui-même par l'intermédiaire de la diode de charge du condensateur détériore le rendement de récupération de ce dispositif. La présente invention a pour but de remédier au défaut précité pour obtenir un dispositif d'aide à la commutation ayant un bon rendement et 20 pouvant fonctionner à des fréquences élevées. Elle a pour objet un dispositif d'aide à la commutation pour un interrupteur statique dit principal Ce dispositif renferme un condensateur d'aide à la commutation placé en parallèle sur l'interrupteur statique principal par l'intermédiaire d'une diode de charge disposée dans 25 le même sens que l'interrupteur statique principal, et un circuit de décharge du condensateur d'aide à la commutation comportant, placés en série aux bornes de la diode de charge, une diode anti-retour disposée en sens opposé de la diode de charge, un enroulement primaire d'un transformateur ayant un secondaire monté en récupération sur une source 30 d'énergie électrique par l'intermédiaire d'au moins un élément redresseur, et un interrupteur statique auxiliaire rendu passant uniquement en présence d'une tension inverse aux bornes de la diode de charge. Ce dispositif d'aide à la commutation peut être adapté à la protection de deux interrupteurs statiques principaux montés en série en rem35 plaçant la diode de charge par deux diodes de charge connectées en série -3 avec un point commun relié à celui des interrupteurs statiques principaux et en remplaçant le condensateur d'aide à la commutation par deux condensateurs connectés en série, placés de part et d'autre des diodes de charge et raccordés aux extrémités de l'ensemble des deux interrupteurs statiques principaux. Le transformateur a avantageusement un rapport d'enroulements secondaire sur primaire voisin ou égal à deux fois celui de la tension de la source d'énergie électrique dans laquelle s'effectue la récupération sur la tension supportée à l'état bloqué par l'interrupteur statique 10 principal ou le groupe de deux interrupteurs statiques principaux aidés par le dispositif. Selon un mode préféré de réalisation, l'interrupteur statique auxiliaire est pourvu d'un circuit d'aide à la commutation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 15 de la description ci-après de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemple Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel: la figure 1 représente un schéma électrique d'un circuit d'aide à la commutation selon l'invention équipant un hacheur de tension, la figure 2 est un ensemble de diagrammes en fonetion du temps illustrant le fonctionnement du circuit d'aide à la commutation de la figure précédente, la figure 3 est un schéma électrique d'un circuit de commande utilisé dans le circuit de la figure 1, la figure 4 est le schéma d'un onduleur monophasé dont les interrupteurs statiques principaux sont équipés de dispositifs d'aide à la commutation selon l'invention et la figure 5 est un schéma électrique d'un dispositif d'aide à la commutation selon l'invention adapté à quatre interrupteurs statiques 30 principaux montés en série pour former un interrupteur statique global. On distingue à la figure 1 un hacheur de tension formé d'un interrupteur statique 1, d'une inductance de lissage 2 et d'une diode de roue libre 3 intercalés entre une source d'énergie= électrique 4 et une charge 5 Un circuit d'aide à la commutation 6 équipe l'interrupteur 35 statique 1 qui sera qualifié ci-après de principal et qui peut être un -4 transistor, un thyristor simple ou à extinction par gachette Son circuit de commande n'est pas représenté car il ressort de la technique courante des hacheurs et ne fait pas partie de l'invention. Le circuit d'aide à la commutation 6 comporte un condensateur 5 d'aide à la commutation 10 connecté en parallèle sur l'interrupteur statique principal 1 par l'intermédiaire d'une diode de charge 11 disposée dans le même sens de conduction que l'interrupteur statique principal 1. En parallèle sur la diode de charge 11, on trouve un circuit de décharge du condensateur 10 d'aide à la commutation formé du montage en série 10 d'une première diode anti-retour 12 connectée au condensateur d'aide à la commutation 10 et disposée dans un sens de conduction opposé à celui de la diode de charge 11, d'un enroulement primaire 13 d'un transformateur 14 dont le secondaire 15 est connecté aux bornes de la source d'énergie électrique 4 par l'intermédiaire d'une diode 16 disposée dans 15 le sens bloquant par rapport à la source d'énergie électrique 4, et d'un interrupteur statique auxiliaire constitué par l'espace émetteurcollecteur d'un transistor 17 commandé en interrupteur. Le transformateur 14 a un rapport d'enroulements secondaire sur primaire voisin ou égal à deux Son enroulement primaire a, connecté à 20 ses bornes, un circuit de démagnétisation formé d'une diode de roue libre 18 en série avec une résistance de dissipation 19. Le transistor de type NPN 17 est raccordé par son émetteur à l'anode de la diode de charge 11 Il a un circuit de commande de base tripôle 20 connecté entre sa base, son émetteur et la cathode de la diode 25 anti-retour 12, et un circuit d'aide à la commutation formé d'un condensateur 21 connecté en parallèle sur son espace collecteur-émetteur par l'intermédiaire d'une diode de charge 22 disposée dans le même sens de conduction que cet espace et shuntée par une résistance de dissipation 23. Une deuxième diode anti-retour 24 est intercalée entre l'enroulement primaire 13 du transformateur 14 et le collecteur du transistor 17. On peut distinguer pour ce circuit d'aide à la commutation trois phases distinctes de fonctionnement: une première phase de restitution de l'énergie stockée dans le 35 condensateur d'aide à la commutation 10 qui débute avec la fermeture de l'interrupteur statique principal 1, -5 une deuxième phase d'amortissement du courant résiduel du circuit de décharge du condensateur d'aide à la commutation 10 qui suit immédiatement la première phase et une troisième phase d'aide à la commutation proprement dite 5 intervenant au cours de l'ouverture de l'interrupteur statique principal 1, le condensateur d'aide à la commutation 10 étant initialement déchargé et se chargeant aux bornes de l'interrupteur statique principal 1. Les diagrammes de la figure 2 représentent l'évolution des cou10 rants et tensions aux bornes de certains éléments du circuit de la figure 1 au cours de ces phases de fonctionnement Le diagramme a représente la tension U 10 aux bornes du condensateur d'aide à la commutation 10, le diagramme b le courant i 13 dans le primaire du transformateur 14, le diagramme c la tension U 13 aux bornes du primaire du trans15 formateur 14, le diagramme d le courant i 16 dans le secondaire du transformateur 14, le diagramme e la tension U 15 aux bornes du secondaire du transformateur 14, le diagramme f le courant i 1 dans l'interrupteur statique principal 1, le diagramme g la tension U 1 aux bornes de l'interrupteur statique principal 1 et le diagramme h la tension aux bornes de 20 l'espace émetteur-collecteur du transistor 17. Avant l'instant tl, l'interrupteur statique principal 1 est ouvert, le condensateur d'aide à la commutation 10 chargé Un courant 12 est établi dans l'inductance 2 et circule au travers de la charge 5 et de la diode de roue libre 3. A l'instant t 1 on ferme l'interrupteur statique principal 1 La première phase de fonctionnement du circuit d'aide à la commutation débute La tension de charge U 10 du condensateur d'aide à la commutation 10 est appliquée par l'intermédiaire de l'interrupteur statique principal 1 et de la diode anti-retour 12 au circuit de commande de 30 base 20 du transistor 17 provoquant la conduction de ce dernier Il en résulte la circulation d'un courant i 13 au travers du primaire 13 du transformateur, du transistor 17, de l'interrupteur statique principal 1, du condensateur 10 et des diodes anti-retour 12 et 24 A partir de cet instant, la tension U 13 aux bornes du primaire 13 du transfor35 mateur devient égale à la tension continue de la source d'alimenta- tion 4 Une tension continue positive U 15 est induite aux bornes de l'enroulement secondaire 15 provoquant l'apparition d'un courant i 16 circulant dans cet enroulement secondaire et la diode 16, et retournant à la source Comme l'enroulement secondaire 15 possède un nombre de 5 spires double de celui de l'enroulement primaire 13 la tension fictive aux bornes de l'inductance de fuite du transformateur 14 vue du primaire 13 a une valeur égale à la moitié de la tension continue de la source d'alimentation 4 Pendant cette première phase de fonctionnement le circuit équivalent de décharge du condensateur 10 d'aide à la commu10 tation est constitué de l'inductance de fuite du transformateur vue du primaire en série avec une source de tension de valeur moitié de celle d'alimentation 4 connectée en opposition La tension U 10 aux bornes du condensateur 10 d'aide à la commutation décroît alors selon une allure quasi-sinusoidale, son courant de décharge i 13 présentant la forme d'une 15 impulsion répercutée au secondaire 15 du transformateur 14 avec une intensité moitié. A l'instant t 2 le courant i 16 s'annule et la diode 16 se bloque marquant la fin de la récupération et le début de la deuxième phase de fonctionnement Le courant i 13 est alors pratiquement égal au courant 20 magnétisant de l'enroulement primaire 13 du transformateur La tension U 10 aux bornes du condensateur 10 d'aide à la commutation ne s'est pas encore annulée mais a une valeur très faible, l'essentiel de l'énergie stockée dans le condensateur 10 ayant été restituée à la source d'alimentation 4 Le condensateur 10 continue à se décharger à 25 travers l'enroulement primaire du transformateur 13 qui présente une impédance élevée du fait du blocage de la diode 16 ouvrant son circuit secondaire et également au travers du circuit de commande de base 20. A l'instant t 3 la tension entre l'anode de la diode de charge 11 et la cathode de la diode anti-retour 12 s'annule entralnant le blocage du 30 transistor 17 par le circuit de commande de base 20 et l'ouverture du circuit primaire du transformateur 14 Dans le même temps, les tensions U 13 et U 15 aux bornes des enroulements du transformateur 14 s'in13 15 versent et l'énergie magnétisante du transformateur 14 est transférée dans le condensateur 21 d'aide à la commutation du transistor 17 et dans 35 la résistance 19 du circuit de démagnétisation du transformateur 14 Le condensateur 21 se charge jusqu'à l'instant t 4 de fin de blocage du transistor 17 et reste chargé jusqu'au prochain déblocage du transistor 17, la diode anti-retour 24 l'empêchant de se décharger au travers du primaire du transformateur 14. A l'instant t 5 commence la troisième phase de fonctionnement du circuit d'aide à la commutation qui correspond à l'ouverture de l'interrupteur statique principal 1 Le courant i 2 dans l'inductance 2 continue à circuler au travers de la diode de charge 11 et du condensateur 10 d'aide à la commutation jusqu'au temps t 6 o la tension aux bornes du 10 condensateur 10 atteint la valeur de la tension de la source d'alimentation 4 La diode de roue libre 3 prend alors le relais et se trouve traversée par le courant i 2. A l'instant t 7 le circuit se retrouve au même état qu'à l'instant t 1 et un autre cycle recommence. La figure 3 donne un exemple de schéma pour le circuit de commande de base 20 du transistor 17 dans son environnement Ce circuit de commande de base comporte une résistance 25 connectée entre la base du transistor 17 et la cathode de la diode anti-retour 12, une diode 26 en parallèle sur la résistance 25, sa cathode étant connectée à la cathode 20 de la diode anti-retour 12, et une diode 27 connectée en parallèle sur l'espace baseémetteur du transistor 17 dans un sens de conduction opposée. La résistance 25 fournit à la base du transistor 17 son courant de saturation lorsque la tension de la cathode de la diode anti-retour 12 25 devient positive par rapport à l'émetteur du transistor c'est-à-dire lorsque la diode de charge 11 est soumise à une tension inverse La diode 26 accélère le processus de blocage du transistor 17 en shuntant la résistance 25 lorsque la tension de la cathode de la diode antiretour 12 s'abaisse en-dessous du potentiel de base du transistor 17 La 30 diode 27 protège l'espace base-émetteur du transistor 17 contre une tension inverse et accélère le blocage de ce dernier en procurant au courant de charge du condensateur d'aide à la commutation 21 un circuit de dérivation en parallèle sur la diode de charge 11 et la diode anti- retour 12. En plus de son bon rendement de récupération, il est important de -8 remarquer que le circuit d'aide à la commutation qui vient d'être décrit présente l'avantage suivant: la contrainte de tension U 17 sur l'espace émetteur-collecteur du transistor 17 est due uniquement aux valeurs relatives du condensateur d'aide à la commutation 21 et de la résis5 tance 19 du circuit de démagnétisation du transformateur 14 Il en résulte qu'un choix convenable de ces éléments permet d'utiliser un transistor pouvant supporter à l'état bloqué une tension beaucoup plus faible que la tension continue de la source d'alimentation 4 que doit couper l'interrupteur statique principal 1 Cet avantage a un impact 10 économique non négligeable pour une valeur importante de tension continue d'alimentation. Le circuit d'aide à la commutation décrit précédemment peut être facilement adapté à la protection de deux interrupteurs statiques principaux montés en série La figure 4 représente une telle adaptation dans 15 le cadre d'un onduleur monophasé dont chaque demi-phase est réalisée à l'aide de deux interrupteurs statiques 30, 31 ou 32, 33 montés en série. Dans cet exemple, les deux interrupteurs statiques 30, 31 respectivement 32, 33 d'une même demi-phase sont protégés par un circuit d'aide à la commutation 6 ' respectivement 6 " qui se déduit de celui de la figure 1 20 en remplaçant la diode de charge 11 par deux diodes 11 ' et 11 " placées en série, leur point commun de connexion étant raccordé à celui des interrupteurs statiques principaux, et le condensateur 10 d'aide à la commutation par deux condensateurs 10 ' et 10 " qui aident chacun la commutation de l'un des interrupteurs statiques principaux et qui sont placés en 25 série de part et d'autre des diodes de charge 11 ' et 11 " leurs extrémités libres raccordées aux extrémités de l'ensemble des deux interrupteurs statiques principaux Les autres éléments demeurent et conservent la même indexation que dans la figure 1. Le circuit d'aide à la commutation pour un groupe de deux interrup30 teurs statiques principaux qui vient d'être décrit fonctionne également lorsque les deux interrupteurs statiques ne sont pas synchrones En effet les condensateurs 10 ' respectivement 10 " peuvent se décharger individuellement, le courant de décharge de l'un empruntant la diode de charge 11 " respectivement 11 ' de l'autre avant de parvenir au circuit de 35 décharge proprement dit. Dans le cas présenté à la figure 4 la charge est connectée au point milieu de la source d'énergie o s'effectue la récupération Chaque groupe de deux interrupteurs subit à l'état bloqué, la tension à laquelle s'effectue la récupération Comme dans l'exemple précédent, il est 5 nécessaire de prévoir pour les transformateurs 14 un rapport d'enroulements secondaire sur primaire voisin ou égal à deux. La figure 5 représente un autre exemple dans lequel un interrupteur est réalisé par une mise en série de quatre interrupteurs statiques 40, 41, 42, 43 protégés deux à deux par deux circuits d'aide à la 10 commutation 60 ' et 60 " analogues à ceux de la figure 4 On a profité ici du fait que les quatre interrupteurs statiques principaux 40, 41, 42, 43 sont commandés en parfait synchronisme pour utiliser un transformateur 14 ' commun aux deux circuits d'aide à la commutation 60 ' et 60 " avec deux primaires indépendants 13 ' et 13 ", un circuit magnétique et un 15 secondaire 15 communs. Dans le cas le plus fréquent la source d'énergie o s'effectue la récupération est celle alimentant la chaine d'interrupteurs statiques principaux 40, 41, 42, 43 par l'intermédiaire d'une charge Chaque groupe de deux interrupteurs statiques principaux 40, 41 ou 42, 43 subit, 20 à l'état bloqué, la moitié de la tension de la source d'énergie o s'effectue là récupération, de sorte qu'il est nécessaire de prévoir un enroulement secondaire 15 ayant quatre fois plus de spires que chacun des enroulements primaires 13 ' ou 13 ". Plus généralement, lorsque l'on utilise ce type de montage pour 25 protéger deux par deux 2 N interrupteurs statiques principaux montés en série et alimentés par l'intermédiaire d'une charge au moyen d'une source électrique de tension continue E et que la récupération s'effectue dans une autre source de tension continue V, il est nécessaire de prévoir un transformateur ayant un enroulement secondaire avec enviV ron 2 N V fois plus de spires que chacun des enroulements primaires. E On peut, sans sortir du cadre de l'invention modifier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents On peut notamment remplacer le transistor 17 par tout élément capable de fonctionner en interrupteur commandé. 35 REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'aide à la commutation pour un interrupteur statique ( 1) dit principal renfermant un condensateur d'aide à la commutation ( 10) placé en parallèle sur l'interrupteur statique principal ( 1) par 5 l'intermédiaire d'une diode de charge ( 11) disposée dans le même sens que ce dernier et un circuit de décharge du condensateur d'aide à la commutation ( 10) placé enparallèle sur la diode de charge ( 11) incluant un enroulement primaire ( 13) d'un transformateur ( 14) ayant un secondaire ( 15) monté en récupération sur une source d'énergie électrique ( 4) 10 par l'intermédiaire d'au moins un redresseur ( 16), caractérisé en ce que le circuit de décharge du condensateur d'aide à la commutation ( 10) comporte en outre, connecté en série avec l'enroulement primaire ( 13) du transformateur ( 14), un interrupteur statique auxiliaire ( 17) équipé de moyens ( 20) pour le commander à la fermeture en présence d'une tension 15 inverse aux bornes de la diode de charge ( 11) et à l'ouverture en l'absence d'une telle tension. 2/ Dispositif d'aide à la commutation pour deux interrupteurs statiques dits principaux ( 30, 31) montés en série renfermant deux condensateurs d'aide à la commutation ( 10 ' et 10 ") placés chacun en parallèle sur l'un 20 des interrupteurs principaux ( 30, 31) par l'intermédiaire de deux diodes de charge ( 11 ', 11 ") disposées dans le même sens que ces derniers, caractérisé en ce que les deux diodes de charge ( 11 ' et 11 ") sont montées de manière à avoir un point commun relié au point commun des deux interrupteurs statiques principaux ( 30, 31) et en ce qu'il comporte un circuit de 25 décharge des condensateurs d'aide à la commutation ( 10 ', 10 ") formé d'un montage série, placé aux bornes de l'ensemble des deux diodes de charge ( 11 ', 11 "), comportant un enroulement primaire ( 13) d'un transformateur ( 14) ayant un secondaire ( 15) monté en récupération sur une source d'énergie électrique par l'intermédiaire d'au moins un redres30 seur ( 16) et un interrupteur statique auxiliaire ( 17) équipé de moyens pour le commander à la fermeture en présence d'une tension inverse aux bornes des deux diodes de charge ( 11 ' et 11 ") et à l'ouverture en l'absence d'une telle tension. 3/ Dispositif d'aide à la commutation selon la revendication 2 pour n 35 groupes de deux interrupteurs statiques dits principaux ( 40, 41, 42, 43) montés en série et commandés en synchronisme pour constituer un interrupteur global, caractérisé en ce que leur transformateur ( 14 ') comporte un circuit magnétique commun et un enroulement secondaire commun ( 15) connecté en récupération sur une source d'énergie électrique par l'intermédiaire d'au moins un redresseur ( 16). 4/ Dispositif selon la revendication 1 pour un interrupteur statique principal ( 1) intercalé entre une charge ( 5) et la source d'alimentation électrique ( 4) dans laquelle s'effectue la récupération, caractérisé en ce que le rapport d'enroulements secondaire sur primaire du transforma10 teur ( 14) est égal à deux. / Dispositif selon la revendication 3, pour N groupes de deux interrupteurs statiques dits principaux ( 40, 41, 42, 43) montés en série et intercalés entre une charge et une source d'alimentation électrique dans laquelle s'effectue la récupération, caractérisé en ce que le rapport 15 d'enroulements secondaire sur primaire du transformateur est égal à 2 n. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur statique auxiliaire ( 17) est pourvu d'un circuit d'aide à la commutation ( 21, 22, 23). 7/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le 20 primaire ( 13) du transformateur ( 14) est pourvu d'un circuit de démagnétisation connecté à ses bornes et formé d'une diode de roue libre ( 18) en série avec une résistance de dissipation ( 19). 8/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de décharge du condensateur d'aide à la commutation ( 10) comporte en 25 outre une diode anti-retour ( 12) intercalée entre l'enroulement primaire ( 13) du transformateur ( 14) et ledit condensateur d'aide à la commutation ( 10). 9/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de décharge du condensateur d'aide à la commutation ( 10) comporte en 30 outre une diode anti-retour ( 24) intercalée entre l'enroulement primaire ( 13) du transformateur ( 14) et l'interrupteur statique auxiliaire ( 17).