Brevet FR2564662A1 — publié le 19851122

INTERFACE DE PILOTAGE D'UN INTERRUPTEUR STATIQUE ELECTRONIQUE DU TYPE COMMANDABLE L'invention concerne une interface de pilotage d'un interrupteur statique électronique du type com- mandable; elle vise une interface destinée à être interposee entre ledit interrupteur statique et un étage de commande adapté pour délivrer un signal de commande de l'interrupteur, fonction de l'application. L'invention s'applique à tout inter- rupteur statique commandable, du type: possédant au moins une électrode de commande et deux électrodes de puissance, : apte à présenter au moins deux états, un état de conduction caractérisé par une faible chute de ten- sion entre les électrodes de puissance et un état de blocage caractérisé par un faible courant de fuite entre lesdites élec- trodes de puissance, le changement d'état étant provoqué par un changement de polarisation de l'électrode de commande. L'objectif de la présente invention est de réduire considérablement les pertes énergétiques qui ap- paraissent lors des commutations de tels interrupteurs statiques. Cette réduction a en particulier pour conséquence importante de permettre d'étendre en fréquence le domaine de fonctionne- ment de l'interrupteur statique. A cet effet, conformément à l'invention, une interface de pilotage est interposée entre l'interrupteur statique et l'étage de commande qui est associé au dit interrup- teur pour en commander les commutations selon des séquences fonctions de l'application (cet étage de commande délivrant un signal de commande composé d'autorisations de conduction et d'ordres de blocage); ladite interface de pilotage comprend: un circuit de détection de la ten- sion entre les deux électrodes de puissance de l'interrupteur statique, adapté pour délivrer un signal, dit signal de ten- sion fonction de ladite tension, un circuit de pilotage, agencé pour recevoir le signal de tension issu du circuit de détection et le signal de commande issu de l'étage de commande et adapté pour assurer une polarisation de l'électrode de commande cor- correspondant à l'état de conduction de l'interrupteur statique dans le seul cas o, à la fois: le signal de commande correspond à une autorisation de conduction, et la tension entre électrodes de puissance se trouve voisine de 0,O -our/ et, dans tous les autres cas,/assu- rer à ladite électrode de commande une polarisation correspon- dant à l'état de blocage de l'interrupteur statique, en vue de bloquer ce dernier. Ainsi l'interface de pilotage précitée permet de supprimer tout amorçage forcé de l'interrupteur sta- tique; en effet à chaque commutation, cette interface valide l'amorçage de l'interrupteur lorsque la tension e-ntre les élec- trodes de puissance de celui-ci s'est annulée de façon naturel- le. On supprime ainsi totalement les pertes énergétiques lors des commutations d'amorçage. L'invention peut en particulier être appliquée au pilotage de thyristors blocables ("G.T.O."), de transistors bipolaires, de transistors à effet de champs, à grille isolée ou non... En outre l'interface conforme à l'in- vention est tout particulièrement adaptée pour piloter un in- terrupteur statique dont les électrodes de puissance sont dotées d'un circuit capacitif d'aide à la commutation en vue de dériver le courant entre ces électrodes au cours des com- mutations de blocage. La description qui suit en référence aux dessins annexés, présente des exemples non limitatifs de l'invention; sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description: la figure 1 est un schéma bloc mon- trant la disposition générale de l'interface de pilotage con- forme à l'invention, les figures 2a, 2b, 2c et 2d sont des chronogrammes montrant l'allure des principaux signaux, la figure 3 est un schéma électro- nique montrant la structure de ladite interface dans le cas du pilotage d'un thyristor blocable "G.T.O.", les figures 4a, 4b, 4c et 4d sont des chronogrammes relatifs au montage de la figure 3, 5. la figure 5 est un schéma électro- nique d'un autre de mode de réalisation d'interface, adapté au pilotage de transistors bipolaires de puissance montés en "Darlington", les figures 6a, 6b et 6c sont des chronogrammes relatifs au montage de la figure 5. L'interface de pilotage représenté en 1 à la figure 1 est destiné à aménager un signal de commande délivré par un étage de commande 2, en vue de piloter un in- terrupteur statique électronique 3 qui en l'exemple est associé à un condensateur 4 d'aide à la commutation. Ce condensateur est destiné lors du blocage de l'interrupteur, à dériver le cou- rant qui traverse ledit interrupteur, tout en limitant le gra- dient de tension apparaissant sur les électrodes de puissance lors du blocage. L'interrupteur comporte deux électrodes de puissance 3a, 3b qui sont reliées au circuit de puissance en vue de contrôler les échanges d'énergie de ce circuit. Cet interrupteur comprend par ailleurs une électrode de commande 3c dont la polarisation détermine les états de l'interrupteur. Celui-ci peut présenter deux états:un état de conduction pour une polarisation déterminée de l'électrode de commande 3c, par exemple positive, et un état bloqué pour une polarisation dif- férente, par exemple négative. L'interface de pilotage 1 qui est in- terposéeentre l'étage de commande 2 et l'interrupteur statique 3 comprend un circuit de détection 5 qui est connecté aux bor- nes des électrodes de puissance 3a et 3b de l'interrupteur 3 pour générer un signal de tension St fonction de la valeur de la tension T entre électrodes de puissance. L'interface 1 comprend également un circuit de pilotage 6 qui est relié à l'étage de commande 2 et au circuit de détection 5 pour délivrer un signal de polari- sation Sp à partir du signal de commande Sc et du signal de tension St. En l'exemple ce signal de polarisation est ensuite adapté au type d'interrupteur statique utilisé par un circuit d'adaptation 7 qui délivre un signal de polarisation Spa per- mettant d'optimiser la commande de l'interrupteur. Le circuit de détection 5 comprend un -générateu-r' de tension de référence 8 fournissant une tension de référence -r- dé très faible valeur par rapport à la valeur maximale de la tension T entre électrodes de puissance 3a, 3b; la valeur de -r- est Choisie de sorte que lorsque la tension T entre les électrodes f puissance devient inférieure à cette tension de référence -r-, l'amorçage de l'interrupteur n'entraîne que des pertes négligeables; la tension -r- peut-être de l'or- dre de 1/100 de la valeur maximale de la tension T. Le circuit 5 comprend en outre un com- - -.parateur inverseur 9, relié aux électodes de puissance et au générateur 8. Ce comparateur délivre un signal de tension St à deux états, en fonction des-i-valeurs relatives des tension de référence- -r- et tension T entre électrodes de puissance. La figure 2b représente la tension T entre électrodes de puissance et la tension de référence -r-. La figure 2c illustre l'allure du signal de tension St. Ce si- gnal présente deux états: l. 'un (symbolisé par l'état logique 1 à la. figure 2c) correspondant à unetension T inférieure à -r-, c'est-à-dire voisine de*O, 25. l'autre (symbolisé par l'état logique 0) correspondant à une tension T- supérieure à -r-, c'est-à- dire non voisine de 0. Par ailleurs le circuit de pilotage 6 comprend une unité logique 10 adaptée pour réaliser une fonc- tion logique, en l'exemple fonction ET, sur le signal de ten-- sion St issu du circuit 5 et le signal de commande Sc issu de l'étage de commande 2. -. * -'. ' 'Ce signal. de -commande Sc est illustré à la figure 2a; il possède deux niveaux, l'un (symbolisé par l'état logique 1) correspondant à une autorisation de eonduc- -tion, l'autre (symbolisé par l'état logique 0) correspondant à un ordre de blocage. Ce signal de commande Sc est élaboré dans chaque application pour engendrer les commutations dési- rées de l'interrupteur.statique 3. L'unité logique 10 délivre à partir du signal Sc et du signal St, un signal de polarisation Sp à deux niveaux (figure 2d): un niveau (désigné par 1, à la figure 2d) correspondant à l'état de conduction de l'interrupteur 3, ce niveau apparaissant lorsque Sc=l ET St=l, un niveau (désigné par 0) correspon- dant à l'état de blocage de l'interrupteur 3, ce niveau apparais- sant dans tous les autres cas, c'est-à-dire si Sc=0 ou si St=0. Le circuit d'adaptation 7 qui dépend de la nature de l'interrupteur utilisé et dont des exemples sont fournis plus loin, fournit un signal de polarisation adapté Spa qui présente une forme analogique synchrone avec le signal Sp, cette forme étant adaptée aux exigences de la commande de l'interrupteur 3 consideré. Lorsqu'apparait une transition montante du signal Sp, l'interrupteur statique est commandé à la conduc- tion par une polarisation correspondante de son électrode de commande; cette commande correspond à un oTdre de conduction du signal Sc mais est décalée par rapport à celui-ci jusqu'à ce que la tension T entre électrodes de puissance s'effondre. Ainsi, l'amorçage n'est commandé par l'interface que pour des tensions T voisinesde 0 de sorte que les pertes énergétiques d'amorçage deviennent négligeables. - Le circuit d'aide à la commutation peut être constitué par un simple condensateur 4 puis- que le pilotage sus-évoqué interdit l'amorçage de l'interrup- teur statique tant que le condensateur n'est pas totalement déchargé: en conséquence l'interrupteur ne subit jamais les surintensités de décharge du condensateur lors de ses mises en conduction. Il est à noter que l'interface de pi- lotage 1 visée par l'invention ne provoque pas l'effondrement de la tension T entre électrodes de puissance; cet effondre- ment nécessaire doit/être provoqué par le circuit externe à l'interrupteur, soit naturellement de par sa structure et ses conditions de fonctionnement (par exemple onduleur de tension un/ non modulée débitant sur/circuit inductif), soit par le jeu d'un circuit auxiliaire adapté pour provoquer cet effondre- ment (par exemple circuits réactifs non dissipatifs tels que circuits oscillants, inductances..-, ou interrupteurs statiques auxiliaires associés à ces derniers). La figure 3 représente une interface de pilotage d'un thyristor blocable (G.T.0) 11 dont les élec- trodes de puissance, désignées par anode et cathode dans ce cas, sont référencées lla et llb et l'électrode de commande, désignée par gachette, est référencée lic. Un condensateur 21 d'aide à la commutation est mis en parallèle- sur les anode et cathode de ce thyristor blocable. L'étage de commande alimente l'inter- face de pilotage par l'entremise d'un transformateur d'isolement 12 et fournit simultanément le signal de commande Scth à cette interface; ce signal Scth considéré au secondaire du trans- formateur présente une amplitude maximum positive, qui joue le rôle de tension de référence -r- et qui est très faible par rapport à la tension maximale entre anode et cathode du thyris- tor blocable. La détection de la tension entre anode et cathode Tth est effectuée par un transistor 13 dont la base est connectée à l'anode lla par l'entremise d'une résistance 14 et d'une diode 15 agencée pour conduire du transistor 13 vers l'anode lla. En outre le transistor 13 est monté avec son émetteur relié au transformateur 12 par l'entremise d'une diode 16 et d'une résistance 17. Ainsi ce transistor 13 fait également fonction d'unité logique ET (10) puisqu'il ne peut être conducteur que lorsque les conditions suivantes se produisent à la fois: 30. signal de commande Scth positif, ET tension Tth inférieure à la valeur de Scth, c'est-à-dire voisine de 0. (Les deux diodes 16 et 15 sont rendues passantes lorsque ces conditions sont simultanément satisfai- tes, la base du transistor 13 se trouvant alors alimentée.) De plus le circuit de pilotage com- prend un transistor 18 agencé pour transmettre les ordres de blocage du signal de commande Scth à la gachette lic du thy- ristor blocable. A cet effet, une diode 19 et une résistance 20.transmettent à la base du transistor 18 le signal de com- mande fourni par le transformateur 12. Pour les valeurs négati- ves du signal de commande, le transistor 18 bloque le thyristor 11 par polarisation négative de sa gachette. Cette polarisation est issue d'un con- densateur 22 placé en série avec une résistance 23 et une diode 24, permettant la recharge du condensateur à chaque alternance négative du signal de commande Scth. Par ailleurs, la fonction d'adaptation est réalisée, d'une part, par les transistors 13 et 18 déjà évoqués, d'autre part par un transistor 25'agencé pour.shunter la jonction base/émetteur du transistor 13 afin de stabiliser le courant délivré-par ce dernier; ce courant.est détecté par la résistance 17 précitée. Le transistor 18 cesse de conduire dès que la jonction gachette/cathode du thyristor 11 est bloquée; il n'assure plus alors q'une polarisation négative de ladite jonction. Le circuit ci-dessus décrit remplit donc les fonctions déjà évoquées de l'interface de pilotage mais, aux fins de simplification, plusieurs de.ses.composants parti- cipent à plusieurs fonctions: ainsi par exemple, le transis- tor 13 sert à la fois à la détection, au pilotage:et à l'adap- tation. On a schématisé ces fonctions multiples, en dessinant à la figure 3 les circuits de base avec des chevauchements pour les composants faisant partie de plusieurs circuits, (les ré- férences 5, 6 et 7 de la figure 1 sont réutilisées pour ces circuits de base). Il est à noter que l'agencement parti- culier des composants de l'interface illustrée réalise égale- ment une fonction globale de différentiation délivrant des im- pulsions opposées lors de l'amorçage du transistor 13-et lors de l'amorçage du transistor 18. Dans d'autres exemples de cir- cuit, un différentiateur (capacité ou autre) peut être prévu pour réaliser cette fonction. Les figures 4a, 4b, 4c et 4d illustrent l'allure des signaux principaux dans l'interface précitée: figtre,4a: signal de commande Scth (secondaire du transformateur 12), - figure 4b: signal de tension Tth (entre anode et cathode du thyristoril>), figure 4c: courant de gachette Igth commandant les commutations du thyristpr 11, figure 4d: courant d'anode Iath image du fonctionnement du thyristor. En l'exemple le signal Scth est alter- natif, rectangulaire. Lorsque le signal Tth devient inférieur au signal Scth, le circuit d'adaptation 7 fournit sur la gachet- te du thyristor blocable une impulsion positive d'amorçage qui engendre l'état de conduction de celui-ci (figure 4c). Ensuite, ce circuit délivre un signal d'entretien pendant toute la pério- 15.de de conduction. Ehfin, lors de la transition descendante du signal Scth, ce circuit engendre une impulsion-négative de cou- rant de gachette (impulsionde blocage) qui engendre l'état de blocage du thyristor. Le courant d'anode Iath illustré à- la figure 4d apparait entre les deux impulsions d'amorçage et de blocage du courant de gachette, lorsque le circuit extérieur sur lequel débite le thyristor le permet. Le bkceage du thyristor et, donc, l'annulation de son courant d'anode interviennent lors de l'!apparition de l'impulsion de blocage du courant de gachette.- : -': - Par ailleurs, la figure 5 représente une interface de pilotage d'un transistor bipolaire 26 dont les électrodes de puissance désignées par collecteur et émetteur dans ce cas sont référencées 26a et 26b et l'électrode de com- mande désignée par base est référencée 26c; un condensateur 27 d'aide à la commutation est mis en parallèle entre collec- tion et émetteur de ce transistor 26. L'interface de pilotage a une structure globale analogue à la précédente à l'exception de la fonction d'adaptation, qui-comprend dans ce cas deux circuits spécifi- ques décrits plus loin (encadrés -en traits discontinus à la - figure 5).; en outre,dans un but de simplification, l'ensemble des transistors 13, 25 et résistances 14 et 17 est symbolisé à la figure 5 par une source de courant 28 commandée par une diode 29 (équivalente à la diode 15 de l'interface précédente). Le circuit d'adaptation du courant base du transistor 26 comprend un circuit d'antisaturation 30 agencé pour délivrer sur la base du transistor 26 un courant sensible- ment proportionnel à son courant collecteur, et un circuit 31 d'extraction de courant inverse de base, adapté pour générer le courant de blocage. Le circuit d'antisaturation 30 est en l'exemple constitué de deux diodes 32 et 33 et d'un transistor 34. Durant la phase de nduction du transistor principal 26, les deux diodes 32 et 33 conduisent simultanément, imposant au transistor 34 une tension collecteur/base voisine de 0; ainsi le transistor 34 se trouve en quasi-saturation et fournit au transistor principal 26 un courant base sensiblement proportion- nel à son courant collecteur. Le circuit 31 comprend deux transistors et 36 qui connectent successivement une inductance 37 à la base du transistor 34 puis à la base du transistor principal 26, afin de provoquer les blocages successifs des transistors 34 et 26. L'énergie stockée dans l'inductance 37 est ensuite évacuée dans une diode 38. Deux résistances 39 et 40 abaissent les résistances d'entrée des transistors 34 et 26. Les figures 6a, 6b et 6c illustrent l'allure des signaux essentiels relatifs à l'interface de pilo- tage ci-dessus décrite. Le signal de polarisation Sptp se pré- sente dans cet exemple sous forme d'un courant à peu près rec- tangulaire tel qu'illustré à la figure 6b. Les transitions de ce courant correspondent aux passages au voisinage de 0 de la tension Tce entre collecteur et émetteur du transistor 26 (figure 6a). A partir de la transition positive du courant Sptp et durant son palier positif,(correspondant à l'état de conduction), le circuit d'antisaturation 30 fournit successivement à la base du transistor 26 (figure 6c): une impulsion de courant positive et un courant de base sensible- ment proportionnel au courant de collecteur du transistor 26. Lors de l'apparition de la transition négative du courant Sptp (correspondant à l'ordre de blocage), le circuit 31 fournit un courant négatif de blocage sur la base du transistor 26. Le courant parvenant à la base du tran- sistor principal 26 est ainsi adapté, d'une part, aux variations du courant collecteur de ce dernier, d'autre part, à la rapidi- té de blocage de celui-ci. L'inter-face conforme à l'invention peut également être appliquée au pilotage d'un transistor à ef- fet de champs (à grille isolée ou non); dans ce cas, la fai- ble valeur du courant de polarisation qui est nécessaire pour engendrer les commutations de ce type d'interrupteurs statiques permet de simplifier voire de supprimer le circuit d'adaptation. REVENDICATIONS 1/ - Interface de pilotage d'un inter- rupteur statique électronique, interposée entre.ledit interrup- teur statique et un étage de commande adapté pour engendrer un signal logique de commande//Iomortant des autorisations de con- duction et des ordres de blocages, ledit interrupteur statique ú3) étant du type commandable: possédant au moins une électrode de commande (3c) et deux électrodes de puissance (3a, 3b), apte à présenter au moins deux états, un état de conduction caractérisé par une faible chute de ten- sion entre les électrodes de puissance et un état de blocage caractérisé par un faible courant de fuite entre lesdites élec- trodes de puissance, le changement d'état étant provoqué par- un changement de polarisation de l'électrode de commande, ladite interface de pilletage compre- nant: un circuit (5) de détection de la tension entre les deux électrodes de puissance de l'interrup- teur statique, adapté pour délivrer un signal, dit signal de tension (St), fonction de ladite tension, un circuit de pilotage (6), agencé pour recevoir le signal de tension (St) issu du circuit.de dé- tection et le signal de commande (Sc) issu de l'étage de com- mande et adapté pour assurer une polarisation de l'électrode de commande (3c) correspondant à l'état de conduction de l'in- terrupteur statique (3) dans le seul cas ou,. à la fois: le signal de commande (Sc) corres- pond à une autorisation de conduction, ET la tension entre électrodes de puis- sance se trouve voisine de O, et dans tous les autres ur/assurer à ladite électrode de commande une polarisation correspondant à l'état de blocage de l'interrupteur statique, en vue de blo- quer ce dernier. 2/ - Interface de pilotage selon la revendication 1, dans laquelle: 40. le circuit de détection (5), relié 25646-62 aux électrodes de puissance (3a, 3b) est adapté pour fournir un signal de tension (St) à deux états, l'un correspondant à une tension entre électrodes de puissance voisine de 0, l'autre à une tension différente, le circuit de pilotage (6), relié au circuit de détection (5) pour recevoir le signal de tension (St) précité et à l'étage de commande (2) pour recevoir le si- gnal de commande (Sc), est adapté pour réaliser une fonction logique sur ces signaux en vue de délivrer à l'électrode de commande un signal de polarisation à deux niveaux: un niveau correspondant à l'état de conduction de l'interrupteur statique, apparaissant durant les phases d'autorisations de conduction du signal de commande ET pour l'état du signal de tension correspondant à une tension voisine de 0, un niveau correpondant à l'état de blocage de l'interrupteur statique, apparaissant dans tous les autres cas. 3/ - Interface de pilotage selon la revendication 21dans laquelle le circuit de détection (5) com- prend un générateur (8) de tension de référence (r) de très faible valeur par rapport à la tension maximale entre électro- des de puissance (3a, 3b), et un comparateur (9) relié aux électrodes de puissance et au-dit générateur et adapté pour délivrer le signal de tension (St) à deux états sus-évoqué en fonction des valeurs relativesdes tension de référence et tension entre électrodes de puissance. 4/ - Interface de pilotage selon l'une des revendications 2 ou)-3, dans laquelle un circuit d'adapta- tion (7) est intercalé entre la sortie du circuit de pilotage (6) et l'électrode de commande (3c) de l'interrupteur statique en vue d'adapter le signal de polarisation au type d'interrup- teur statique utilisé. 5/ - Interface conforme à l'une des revendications précédentes, appliquée au pilotage d'un inter- rupteur statique doté entre ses électrodes de puissance, d'un circuit capacitif d'aide à la commmutation (4). 6/ - Interface selon l'une des reven- dications 1, 2, 3, 4: ou 5, appliquée au pilotage d'un thyris- tor blocable (11). 7/ - Interface de pilotage selon les revendications 4 et 6 prises ensemble, dans laquelle le cir- cuit d'adaptation est agencé pour adapter le signal de polari- sation en vue de délivrer sur l'électrode de commande du thy- ristor blocable (11): 10. un signal d'entretien pendant la con- duction, une impulsion de blocage pour engen- drer l'état de blocage. 8/ - Interface de pilotage selon la revendication 7, dans laquelle le circuit d'adaptation est agen- cé pour réaliser une fonction de différentiation de façon à délivrer des impulsions opposées lors des transitions du signal de polarisation. 9/ - Interface selon l'une des reven- dications 1, 2, 3, 4 ou 5, appliquée au pilotage d'un transis- tor bipolaire (26). / - Interface de pilotage selon les revendications 4 et 9 prises ensemble, dans laquelle le cir- cuit d'adaptation est agencé pour adapter le signal de polari- sation en vue de délivrer sur l'électrode de commande de tran- sistor bipolaire (26): un courant de base pendant la con- ductionsensiblement proportionnel au courant collecteur du transistor, 30. un courant de blocage pour engendrer l'état de blocage. 11/ - Interface de pilotage selon la revendication 10, dans laquelle le circuit d'adaptation com- prend un circuit (30) d'antisaturation du transistor délivrant sur la base de celui-ci le courant sensiblement proportionnel au courant collecteur et un circuit (31) d'extraction de cou- rant inverse de base adapté pour générer le courant de bloca- ge. 12/ - Interface selon l'une des revendications 1,2,3 4 ou 5, appIiquée au pilfota Wd'ui transistor effet de champs. Le mandataire Cabinet BARRE- GATT - LAFORGUE --'^^.; 3. 95. Iue des Amidoreiers 31069 TOULOUSE CEDEX