Brevet FR2566208A1 — publié le 19851220

L'invention concerne les techniques impulsionnelle et de conversion, et plus particulièrement, un commutateur électronique destiné à commuter des charges puissantes et utilisé essentiellement dans les convertisseurs d'alimentation et dans les sources d'alimentation des lasers. Parmi les dispositifs pour commuter les charges puissantes, les plus attrayants sont les montages de commutateurs à thyristors à blocage forcé du type série, le blocage étant réalisé à l'aide d'une impulsion venant d'un circuit de blocage appliqué sur self mise en série avec le thyristor, la charge et la source d'alimentation. On doit prévoir dans ces montages l'élimination ou la diminution d'une énergie excédentaire qui s'accumule dans la self au passage du courant de charge et y restant après le blocage du thyristor. Faute de moyens d'évacuation de l'énergie la tension sur les éléments du commutateur croIt avec chaque cycle de fonctionnement, ce qui peut aboutir à la panne du commutateur et à l'abaissement du rendement. Il existe un commutateur électronique (cf. par exemple Ju.S. Zabrodin C "Ensembles de commutation forcée à condensateur des thyristors". M., éd. "Energia", 1977 il p. 82, figures 2 à 15) dans lequel la dissipation de l'énergie excédentaire se fait à l'aide d'un transformateur branché sur une self par l'intermédiaire de valves. L'utilisation d'un transformateur ne répond que partiellement aux exigences de réduction des sur tensions et d'élévation du rendement. L'utilisation d'un transformateur à haut rapport de transformation diminue les surtensions mais aussi le rendement, et vice versa, avec un faible rapport de transformation le rendement augmente mais les surtensions croissent. En outre, le transformateur doit être conçu de façon à présenter les inductances de dissipation et les capacités parasites minimales tout en trans mettant des impulsions longues et puissantes. Ceci complique sensiblement l'organisation du transformateur et du commutateur électronique dans son ensemble. Il existe également un commutateur.électronique avec dissipation de l'énergie excédentaire sans transformateur (cf., par exemple, Ju.S. Zabrodin Ensembles de commutation frocée à condensateur des thyristors". M., éd. "Energia", 1977,0 p. 83, figures 2 à 16). Le commutateur électronique comporte, mis en série avec la charge, un thyristor, relié électriquement à un pôle de la source d'alimentation, et une self, laquelle est mise en parallèle avec un circuit de blocage forcé du thyristor et dont une borne reliée électriquement au thyristor, est branchée sur une électrode d'une valve et l'autre borne est. électriquement reliée à l'autre électrode de la même valve et à l'autre pôle de la source d'alimentation.Il comporte également un bloc de commande dont les sorties sont branchées sur l'électrode de commande (gachette) du thyristor et au circuit de blocage forcé du thyristor. Ce commutateur électronique utilise en tant que valve une diode montée en parallèle avec la self. Au moment de l'arrivée de la première impulsion de commande venue du bloc de commande, le thyristor devient conducteur, le courant commence à circuler à travers la charge et la self accumule de l'énergie. La deuxième impulsion de commande reçue du bloc de commande fait fonctionner le circuit de blocage forcé, le thyristor se trouve bloqué, le courant ne circule plus dans la charge. Dans ce cas, l'énergie accumulée dans la self est dissipée sous forme de chaleur grâce au circuit de dissipation à diode. Le montage de ce commutateur électronique est plus simple que le montage à transformateur. Les surtensions sur la self et sur d'autres éléments de montage se trouvent à un niveau minimal par suite des faibles chutes de tension existant sur une diode conductrice lors de la dissipation de l'énergie excédentaire. Mais il est clair que l'énergie dissipée sur la diode ne peut pas être utilisée ultérieurement, ce qui fait que le commutateur a un faible rendement. En outre cela,ce commutateur électronique est caractérisé par une faible fréquence de cycles de travail à la commutation car l'évacuation de l'énergie excédentaire depuis la self sur la faible résistance de la diode est relativement longue par suite d'une grande constante de temps due à l'inductance de la self et à la résistance de la diode. L'élévation de la fréquence des cycles de fonctionnement par une diminution de la constante de temps obtenue par l'insertion d'une résistance auxiliaire mise en série avec la diode entraine une surtension sur les éléments du montage à cause de la chute de tension supplémentaire dans la résistance, ce qui n'est pas acceptable et d'ailleurs n'augmente pas le rendement de l'installation. L'invention concerne un commutateur électronique muni d'un circuit de dissipation de l'énergie excédentaire accumulée dans la self permettant d'utiliser cette énergie excédentaire pour alimenter la charge tout en assurant le niveau minimal de sur tension sur les éléments du commutateur électronique. Le commutateur électronique selon l'invention comporte une source d'alimentation, une charge, un thyristor et une self avec laquelle un circuit de blocage du thyristor est mis en parallèle et dont une borne, reliée électriquement au thyristor, est branchee sur une électrode d'une valve, l'autre borne de cette self étant électriquement reliée à l'autre électrode de cette valve et à l'autre pôle de la source d'alimentation; un bloc de commande dont les sorties sont branchées respectivement sur l'électrode de commande (gachette) du thyristor et sur le circuit de blocage forcé du thyristor; un thyristor auxiliaire intercalé entre la source d'alimentation et celui des points communs à la self et au blocage qui se trouve le plus près de la source d'alimentation; une valve auxiliaire dont une électrode est branchée sur le point commun au thyristor auxiliaire et à la self; et un stockage d'énergie électrique branché sur l'autre électrode de la valve auxiliaire, sur le point commun à la valve principale et au thyristor auxiliaire et sur le pôle de la source d'alimentation relié électriquement au thyristor principal. Il est utile d'intercaler dans le commutateur électrique au moins une valve commandée, branchée par son électrode de commande sur une autre sortie supplémentaire, auxiliaire, du bloc de commande. Le commutateur électronique proposé possède un haut rendement parce que l'evacuation de l'énergie excédentaire depuis la self se fait à travers les valves dans le dispositif de stockage d'énergie électrique d'ou elle est, simultanément avec l'énergie de la source d'alimentation, appliquée à la charge durant les cycles de commutation suivants. Le commutateur électronique assure un faible niveau de surtensions sur ses éléments parce que, durant l'élimination de l'énergie excédentaire de la self les valves conductrices empechent une surélévation de la tension sur ladite self supérieure à la valeur nécessaire au fonctionnement du dispositif. En outre, le commutateur électronique est caractérisé par une haute cadence de commutation parce que la durée de l'évacuation de l'énergie depuis la self dans le stockagese--fait rapidement. Le commutateur électronique peut utiliser tant une source d'alimentation du type "source de courant" qu'une source de tension (au cas où les valves sont réalisées sous forme de thyristors). L'invention ressortira de la description qui suit des exemples concrets de son exécution schématisés sur les dessins annexés dont: - la figure 1 représente un schéma électrique de principe du commutateur électronique selon l'invention; - la figure 2 représente le même schéma que sur la figure 1, mais avec des thyristors jouant le rôle des valves. Le commutateur électronique comporte, mis en série avec une charge 1 (figure 1), un thyristor 2 relié électriquement à un pôle d'une source d'alimentation 3 et à une self 4. Dans la variante décrite, le thyristor 2 est directement branché par sa cathode sur une borne de la self 4 et est électriquement relié à travers la charge 1 au pôle (+) de la source 3. La self 4 est mise en parallèle avec un bloc 5 de blocage forcé du thyristor 2. La borne de la self 4 branchée sur la cathode du thyristor 2 est branchée sur une électrode d'une valve 6, (dans ce qui suit: sur la cathode de la diode 6), et l'autre borne de la self 4 est branchée sur une cathode d'un thyristor 7, (dans la variante décrite sur son anode). La cathode du thyristor 7 est branchée sur le pôle (-) de la source d'alimentation 3. L'anode de la diode 6 est branchée sur la cathode du thyristor 7. Le commutateur électronique comporte également un moyen de stockage 8 d'énergie électrique dont le pôle (-) est branché sur un point 9 commun à la diode 6 et au thyristor 7. Le pôle (+) du stockage d'énergie 8 est branché sur une électrode d'une deuxième valve (dans ce qui suit sur la cathode d'une diode 10) et sur le pôle (+) de la source d'alimentation 3. L'anode de la diode 10 est branchée sur le point 11 commun à l'anode du thyristor 7 et à la self 4. En tant que stockage d'énergie 8 on peut utiliser un condensateur ou une batterie de condensateurs. Une des variantes d'exécution du bloc de blocage forcé 5 représentée sur la figure 1 comporte un condensateur 12 dont une des armatures est branchée sur l'anode d'un thyristor 13 et sur la cathode d'une diode 14. La cathode du thyristor 13 est branchée sur l'anode de la diode 14 et sur la borne de la self 4 branchée sur la cathode du thyristor 2. L'autre armature du condensateur 12 est branchée sur le point 11 commun à l'anode du thyristor 7 et la self 4. La charge initiale du condensateur 12 se fait depuis la source d'alimentation 30, ayant des bornes (+) et (-) à travers une self 15. Le commutateur électronique comporte également un bloc de commande 16 dont une première sortie 17 est branchée sur l'électrode de commande (gachette) du thyristor 2, une deuxième sortie 18, sur l'électrode de commande (gachette) du thyristor 7 et une troisième sortie 19, sur l'électrode de commande (gachette) du thyristor 13 du bloc 5 de blocage forcé. Les sorties 17, 18 sont des sorties d'un générateur d'impulsions 20 dont une autre sortie est branchée sur l'entrée d'un circuit à retard 21. Le branchement décrit des thyristors 2, 7 et des diodes 6, 10 correspond à la disposition des pôles de la source d'alimentation 3. Le changement de la polarité de cette source 3 entraine le changement correspondant du branchement de ces thyristors et diodes. Une autre variante d'exécution du commutateur électronique,analogue à celle décrite plus haut, est possible. La différence réside dans le fait que dans le montage du commutateur électronique sont respectivement utilisés, au lieu des diodes 6 et 10, des thyristors 22 (figure 2) et 23. Les électrodes de commande (gachette) des thyristors 22, 23 sont branchées sur des sorties 24, 25 du bloc de commande 16. Les sorties 24, 25 sont des sorties d'un circuit de retard 26, analogue au circuit 21 et branché sur une sortie de ce circuit 21. En outre, dans la variante en question, le thyristor 2 est directement branché par son anode sur le pôle (+) de la source 3, ce qui n'influe pas pratiquement sur le fonctionnement du commutateur. Le commutateur électronique fonctionne de la façon suivante. A l'état initial, les thyristors 2 (figure 1), 7, 13 et les diodes 6, 10, 14 ne sont pas conducteurs, le stockage d'énergie 8 est chargé depuis la source d'alimentation 3 jusqu'à une tension U1 avec la polarité indiquée sans parenthèses sur la figure 1; le condensateur 12 est chargé avec la polarité indiquée sur la figure 1 jusqu'à une tension U2 qui, en général, n'est pas obligatoirement égale à U 1' la charge étant faite depuis la source de courant via la self 15. Les impulsions émises sur les sorties 17, 18 du bloc de commande 16, qui sont produites simultanément par le générateur d'impulsions 20, attaquent les électrodes de commande (gachette) des thyristors 2, 7. En meme temps, le générateur 20 met en marche le circuit de retard 21. Les thyristors 2 et 7 commencent à conduire et la charge 1 reçoit de l'énergie de la source d'alimentation 3 et du stockage d'énergie 8. Dans ce cas, le courant circule par le circuit: source d'alimentation 3 (et stockage d'énergie 8) - charge 1 - thyristor 2 - self 4 thyristor 7 - source d'alimentation 3 (et stockage d'énergie 8). Comme la source d'alimentation 3 possède une caractéristique décroissante (non rigide) par suite de sa résistance interne (en règle générale, réactive) et que le stockage d'énergie a une capacité limitée, la tension à leurs bornes diminue. Lorsque cette tension devient inférieure à la tension aux bornesdu condensateur 12, au moment t1, la sortie 19 du bloc de commande 16 émet une impulsion produite par le circuit de retard 21. Cette impulsion attaque l'électro- de de commande du thyristor 13 et le débloque. A travers le thyristor 13, la tension U2 du condensateur 12 est appliquée à la self 4(la polarité de cette dernière est indiquée sur la figure 1). Comme la tension U2 est supérieure à la tension aux bornes de la source d'alimentation 3 (et de l'accumulateur 8) et qu'elle est appliquée selon la polarité opposée aux thyristors 7 et 2, ces derniers se trouvent bloqués; par conséquent le passage du courant dans la charge 1 cesse. Lorsque le thyristor 13 devient conducteur (au moment tel)' le condensateur 12 et la self 4 forment un circuit oscillant. Dans ce circuit oscillant, le condensateur 12 se décharge tout d'abord jusqu'à zéro ( le courant dans le circuit oscillant est, à ce moment, maximal), ensuite commence à se recharger, mais la tension sur ses armatures a la polarité inversée (entre parenthèses sur la figure 1). La valeur de la tension aux bornes du condensateur 12 tend alors à dépasser considérablement la tension initiale U2. Ceci s'explique par le fait que l'énergie initiale accumulée dans le condensateur 12 avant le déblocage du thyristor 13 est augmentée de l'énergie accumulée dans la self 4 lors du passage du courant de la charge 1. Cette énergie complémentaire est surabondante si l'on ne la dissipe pas, elle entraine des surtensions sur la self 4, le condensateur 12 et sur d'autres éléments. Il faut garder en vue que l'effet d'accumulation augmente de cycle en cycle de fonctionnement du commutateur électronique et ceci entraîne des conséquences nuisibles. Dans le commutateur électronique décrit l'effet d'accumulation n'existe pas parce que l'énergie excédentaire est évacuée dans le stockage d'énergie 8. Ceci se fait de la façon suivante. Comme on l'a déjà dit, la tension aux bornes du condensateur 12 tend à dépasser la valeur initiale U2, mais au moment où la tension sur le condensateur 12 tend à dépasser la tension aux bornes du stockage d'énergie 8, elle reste à ce niveau parce que les diodes 6 et 10 deviennent conductrices. Le thyristor 13 en ce cas se bloque parce que le courant quitte le circuit où il est monté et se déplace vers le circuit des diodes 6 et 10. A travers les diodes 6 et 10 devenues conductrices, toute l'énergie résiduelle dans la self 4 passe dans lestockage d'énergie 8, après quoi les diodes 6 et 10 se bloquent et le condensateur 12 se décharge travers la diode 14 qui devient conductrice à ce moment. Durant le processus oscillatoire, le condensateur 12 se recharge à travers la diode 14 et la self 4, les polarités aux bornes du condensateur 12 revenant à leurs sens initiaux indiqués sans parenthèses sur la figure 1. A la fin de la recharge du condensateur 12, la diode 14 se bloque. La charge du condensateur 12 jusqu'au niveau initial U2 se fait à partir de la source de courant à travers la self 15. L'élévation du niveau de la tension jusqu'à la valeur initiale U1 aux bornes de la source d'alimentation 3 se fait lors de la charge du stockage 8 à partir de cette source 3. En cas général, la charge de stockage 8 peut se faire immédiatement après le blocage des thyristors 2 et 7. Ainsi, le commutateur électronique revient à l'état initial. Le cycle suivant du fonctionnement du commutateur commence au moment de l'émission de l'impulsion suivante sur les sorties 17 et 18 du bloc de commande 16. Ensuite, les processus se répètent de la même façon déjà décrite. Comme on voit de la description du fonctionnement du commutateur électronique, l'énergie excédentaire accumulée dans la self 4 après le blocage des thyristors 2 et 7 est évacuée dans le stockage d'énergie 8 et participe conjointement avec l'énergie issue de la source 3 à l'approvisionnement en énergie de la charge 1 dans les cycles de travail suivants. Ceci assure un haut rendement énergétique du commutateur électronique. il découle des processus de fonctionnement examinés que la valeur de la tension sur le condensateur 12, la self 4 et sur d'autres éléments y reliés ne dépasse pas la valeur initiale, ce qui signifie que l'effet nuisible de l'accumulation de l'énergie excédentaire est absent et par conséquent les surtensions sur les éléments de montage du commutateur sont supprimées. En outre, il est clair que l'évacuation de l'énergie depuis la self 4 se fait vers le stockage d'énergie 8 dont la tension aux bornes diffère de zéro, c'est pourquoi le temps du processus d'évacuation n'est pas grand. D'où découle la possibilité de fonctionnement du commutateur électronique à une cadence élevée. Le fonctionnement du commutateur électronique, selon la variante représentée sur la figure 2 , est identique à celui décrit plus haut, La différence réside dans le fait que l'énergie accumulée est évacuée de la self 4 (figure 2) dans le stockage 8 après le déblocage des thyristors 22, 23. Le déblocage se fait grâce aux signaux émis simultanément sur les sorties 24, 25 du bloc de commande 16. Ces signaux sont retardés par le circuit de retard 26 par rapport au signal émis par la sortie 19 sur le bloc 5 de blocage forcé. La valeur du retard introduit par le circuit 26 est déterminée par le temps nécessaire pour que la tension aux formes du condensateur 12, avec polarité indiquée sur la figure 2 entre parenthèses atteigne une valeur dépassant d'une quantité préfixée la valeur de la tension aux bornes du stockage d'énergie 8 (et de la source d'alimentation 3). Pour le reste, le fonctionnement du commutateur est analogue à celui décrit plus haut. Dans la variante du commutateur électronique représente sur la figure 2, la tension U2 aux bornes du condensateur 12 peut être choisie différente, si besoin est, en faisant varier le retard commandé par le circuit 26. Notamment, a tension U2 peut être choisie telle qu'elle dépasse la tension U1 aux bornes du stockage d'énergie 8 et de la source d'alimentation 3.Dans ce cas, le commutateur électronique remplit ses fonctions si comme source d'alimentation 3 on utilise une source à caractéristique rigide, à résistance interne faible, c'est-à-dire lorsqu'on utilise une source de tension. il faut indiquer également que dans la variante du commutateur électronique représenté sur la figure 2, la recharge du condensateur 12 à chaque cycle n'est pas obligatoire parce que la tension aux bornes dù condensateur 12 est fonction du moment où les thyristors 22, 23 deviennent conducteurs, c'est-à-dire qu'elle est réglable et peut être ajustée à un niveau déterminé qui reste inchangé dans les cycles suivants du fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Commutateur électronique qui comporte, mis en série avec une charge (1), un thyristor (2) relié électriquement à un pôle d'une source d'alimentation (3) et une self (4) mise en parallèle avec un bloc (5) de blocage forcé du thyristor (2) et dont une borne reliée électriquement au thyristor (2), est branchée sur une électrode d'une valve (6) et l'autre borne est électriquement reliée à l'autre électrode de. cette valve (6) et à l'autre pôle de la source d'alimentation (3), ledit commutateur électronique étant muni d'un bloc de commande (16) dont les sorties (17, 19) sont respectivement branchées sur l'électrode de commande (gachette) ai thyristor (2) et sur le bloc (5) de blocage forcé du thyristor (2) caractérisé par le fait qu'il comporte d'une part un thyristor auxiliaire (7) branché par une électrode sur la borne de la self (4) reliée électriquement au pôle de la source d'alimentation (3), par l'autre électrode sur ce pôle de la source d'alimentation (3) et par l'électrode de commande (gachette), sur une partie auxiliaire (18) du bloc de commande (16), d'autre part une valve auxiliaire (10) dont une électrode est branchée sur un point commun (11) de la connexion entre le thyristor auxiliaire (7) et la self (4) enfin un stockage d'énergie (8), accumulant de l'énergie électrique, branché sur l'autre électrode de la valve auxiliaire (10), sur un point (9) commun à la valve principale (6) et au thyristor auxiliaire (7) et sur le pôle de la source d'alimentation (3) reliée électriquement au thyristor principal (2). 2. Commutateur électronique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'au moins une des valves (6, 10) est un thyristor (22, 23) dont l'électrode de commande (gachette) est branchée sur une autre sortie auxiliaire (24, 25) du bloc de commande (16) dont les impulsions reçues par la gachette peuvent être retardées pour régler la valeur de la tension aux bornes du stockage d'énergie (8),