Brevet FR2582882A1 — publié le 19861205

RELAIS STATIQUE COMPORTANT DES THYRISTORS NORMALEMENT CONDUCTEURS. La présente invention concerne un relais statique ou pôle de contacteur statique du type comprenant deux thyristors normalement conducteurs disposés selon un montage antiparallèle dont les bornes sont susceptibles d'être reliées à un circuit de courant alternatif. La demande de brevet FR 2 536 909 décrit un thyristor normalement conducteur, plus précisément auto-allumable à chaque passage par zéro avec dt > O de sa tension anode-cathode, l'ultra-sensibilité d'un tel thyristor étant attribuée à l'effet du courant capacitif de sa jonction centrale. Elle décrit également un dispositif bidirectionnel autoallumable utilisant deux tels thyristors tête-bêche, chaque thyristor étant normalement passant et présentant un schéma de court-circuit gâchette-cathode muni d'un interrupteur normalement ouvert dont la fermeture abaisse le potentiel de gâchette et établit entre la gâchette et la cathode le passage d'un courant de fuite afin d'inhiber le thyristor. Ce dispositif bidirectionnel ne comporte aucun moyen spécifique qui lui soit véritablement adapté pour permettre ou faciliter la protection contre les courants de surcharge ou de court-circuit. L'invention a notamment pour but de remédier à cette lacune et à permettre d'assurer de manière simple et adaptée la protection contre les courants de surcharge et de courtcircuit d'un relais statique à couple de thyristors antiparallèles normalement passants. Selon l'invention, dans un relais statique normalement fermé comprenant - deux thyristors formant un montage antiparallèle dont les bornes sont susceptibles d'être reliées à un circuit de courant alternatif, chaque thyristor étant un thyristor normalement conducteur, auto-allumable à chaque passage par zéro avec dV > O de sa tension anode-cathode, dt - un circuit de commande associé aux gâchettes des thyris - tors et comprenant un premier interrupteur prévu sur un chemin de court-circuit gachette-cathode de chaque thy ristor, l'interrupteur de court-circuit d'émetteur étant normalement ouvert ou dans un état de haute impédance, - l'ouverture du relais s'effectuant en réponse à un signal de commande qui rend passant le premier interrupteur de court-circuit, il est prévu, pour chacun des thyristors normalement conducteurs, un circuit de protection comportant : - un élément détecteur du courant qui traverse le thyristor, cet élément détecteur délivrant un signal image du cou rant, - un circuit de traitement de ce signal pour produire un signal de coupure lorsque le signal image du courant dépasse un seuil prédéterminé, - un deuxième interrupteur prévu sur le chemin de court circuit gâchette-cathode du thyristor et sollicitable par le signal de coupure, - l'ouverture du relais s'effectuant en réponse au signal de coupure lorsque celui-ci rend passant le deuxième inter rupteur de court-circuit d'émetteur. Les premier et deuxième interrupteurs de court-circuit gâchette-émetteur sont avantageusement constitués par un seul et même interrupteur statique dont l'électrode de commande est sollicitable par le signal de commande et par le signal de coupure ; cet interrupteur statique peut être un phototransistor dont la base ou la grille reçoit le signal de commande délivré par une diode émettrice de lumière et est reliée au circuit de traitement pour recevoir le signal de coupure. De préférence, le circuit de traitement présente un opérateur à seuil relié à une bascule dont une sortie Q est reliée au deuxième interrupteur ; un organe relié à l'opérateur à seuil, par exemple la bascule au moyen de la sortie Q ou d'une sortie complémentaire Q, commande un moyen de sollicitation de la gâchette, par exemple un troisième interrupteur, susceptible de relier la gâchette thyristor normalement conducteur à un circuit d'extinction produisant une impulsion de tension négative dès la détection d'un courant de court-circuit aux bornes du relais. De la sorte, le relais statique considéré permet d'obtenir une extinction immédiate du thyristor par un fonctionnement en mode blocable (GTO), cette extinction étant confirmée par la fermeture du deuxième interrupteur qui courtccircuite la gâchette du thyristor pour-- inhiber sa mise en conduction à l'alternance positive suivante. Le circuit d'extinction est constitué par tout circuit connu, par exemple agencé et relié à la cathode du thyristor de manière à former l'impulsion négative de tension correspondant au gain nécessaire à l'extinction du thyristor. D'autres particularités et avantages de l'invention appa raîtront à la lecture de la description qui suit à titre non limitatif en regard des dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement un relais statique pour courant alternatif conforme à l'inven tion ; La figure 2 montre une forme d'exécution du relais ; La figure 3 représente une partie d'une variante d'exécution du relais ; La figure 4 est le schéma synoptique d'un demi-relais illustrant un mode de réalisation du circuit de trai tement ; La figure 5 représente, de manière plus détaillée, le circuit de traitement de la figure 4 ; La figure 6 montre une variante du circuit de traite ment. Le relais statique ou pôle de contacteur statique 10 illustré par la figure 1, est du type normalement fermé et comporte deux thyristors TH1, TH2 disposés selon un montage antiparallèle dont les bornes C et D sont des bornes de puissance 1 et 2 du relais, deux autres bornes de puissance 3 et 4 du relais étant interconnectées ; les bornes 2 et 4 du relais sont, par exemple, connèctables à une source d'énergie alternative, les bornes 1 et 3 étant connectables à une charge : les thyristors sont du type normalement conducteur, par exemple du type décrit dans la demande de brevet FR 2 536 909, c'est-à-dire qu'ils s'allument d'euxmêmes sans injection externe de courant de gâchette dès que dV leur tension anode-cathode passe par zéro avec dt > Chacun des thyristors comprend un chemin de court-circuit CC1, CC2 gâchette-cathode muni d'un moyen d'inhibition constitué par un premier interrupteur I1, I2 imposant, à l'état ouvert, une forte impédance sur le chemin de court-circuit gâchette-cathode et permettant, à l'état fermé en réponse à un signal de commande v, l'établissement du court-circuit entre gâchette et cathode pour désarmer le thyristor. Les bornes C et D du montage antiparallèle de thyristors sont reliées, d'une part, comme déjà décrit, aux bornes de puissance 1, 2 du relais ou du pôle de contacteur, d'autre part, à un circuit non indiqué de protection contre les surtensions et les gradients de tension. Un élément détecteur de courant 10 est associé à chaque thyristor ; l'élément 10 est disposé entre les bornes C et D et sa sortie délivre un signal image du courant à un circuit de traitement 20 dont une sortie de coupure SA est reliée à la borne de commande d'un deuxième interrupteur I3 (I4) de court-circuit d'émetteur disposé en parallèle ou confondu avec le premier interrupteur I1 (I2) afin de provoquer l'extinction du thyristor en réponse à la détection d'un courant de surcharge ou de court-circuit ; le circuit de traitement 20 présente une sortie d'extinction SB reliée directement à la gâchette G du thyristor afin de provoquer une impulsion d'extinction du thyristor (fonctionnement en GTO) en réponse à la détection d'un courant de court-circuit aux bornes du relais et dans l'attente d'une confirmation de blocage du thyristor sous l'effet de la fermeture de l'interrupteur I3 (I4). La figure 2 représente le relais conforme à l'invention muni pour chaque thyristor d'un interrupteur combiné de commande et de coupure, constitué ici par le phototransistor TR1, TR2 d'un optocoupleur 01, 02 ; les diodes photo-émettrices LED1, LED2 des deux optocoupleurs sont disposées en série et reliées à des bornes de commande Al, A2 du relais. La base du phototransistor TR1 est reliée via une résistance R1 à la cathode K du thyristor TH1 et via une résistance R2 à la sortie SA du circuit de traitement 20. Le relais de la figure 2 fonctionne de la manière suivante. Lorsqu'un signal de commande v est appliqué aux bornes Al, A2, les diodes des optocoupleurs 01, 02 sont activées et rendent passants les phototransistors TR1, TR2, lesquels ferment les chemins de court-circuit gâchette-cathode CC1, CC2. Chaque thyristor s'éteint au passage par zéro du courant. Le relais statique est dès lors ouvert tant que le signal v reste à un niveau haut. Lorsque le signal v disparaît ou passe à un niveau bas, les phototransistors TR1, TR2 deviennent bloquants et entrai- nent, par conséquent, l'allumage des thyristors dès l'alternance positive suivante de leurs tensions respectives anodecathode. Lorsqu'un courant de surcharge ou de court-circuit apparaît aux bornes de puissance 1, 2 du relais, il est détecté par l'élément 10 et traité par le circuit 20 ; le signal SA appliqué à la base du phototransistor TR1 rend celui-ci passant et bloque donc le thyristor THI. En cas de court-circuit franc, la sortie SB provoque une impulsion négative de tension sur la gâchette K du thyristor et donc l'extinction immédiate de celui-ci, cette extinction étant confirmée du fait que TR1 est passant. Comme illustré par la figure 3, le relais statique à ouverture peut comporter deux thyristors normalement passants, chacun de ces thyristors commandant un thyristor de puissance du type allumable en réponse à l'injection externe d'un courant de gâchette et blocable en réponse à l'application à la gâchette d'un signal négatif (GTO). Seul un demi-relais est représenté sur la figure 3, l'autre demi-relais étant identique et n'étant donc que suggéré en tirets ; le thyristor normalement passant TH1 pilote le thyristor de puissance GTO TH3 qui lui est associé ; à cet effet, la gâchette G3 de TH3 est reliée à la cathode K1 de TH1, celle-ci étant reliée à G1 par le chemin de court-circuit CC1 doté du phototransistor TR1 et/ou d'un autre interrupteur pour répondre au signal de commande v et au signal de coupure SA. L'élément 10 de détection du courant est bien entendu disposé sur le circuit principal de courant du thyristor de puissance, tandis que les sorties SA, SB du circuit-de traitement 20 sont reliées respectivement à la base du photo- transistor TR1 et à l'électrode de commande d'un interrupteur I5 pour déterminer la liaison de la gâchette G3 de TH3 avec une source 23 de tension négative -V. Les mêmes éléments et circuits de commande et de protection sont associés aux thyristors TH2 et TH4. La figure 4 montre un exemple de réalisation des circuits de commande et de traitement associés à l'un des thyristors TH1 du relais statique à ouverture. L'élément détecteur de courant 10 est constitue par une simple résistance R4 dont les bornes sont reliées au circuit de traitement 20 comprenant un opérateur à seuil 21 et une bascule 22 dont la sortie Q délivre le signal SA, et la sortie Q le signal SB. L'interrupteur I1 de court-circuit d'émetteur associé au thyristor TH1 présente une entrée El à laquelle est applicable le signal de coupure SA. Le signal d'extinction SE polarise un interrupteur I5 pour établir une liaison à faible impédance entre, d'une part, une source de tension négative 23 reliée à la cathode du thyristor et, autre part, la gâchette du thyristor. Un interrupteur manuel ou automatique de réarmement I6 est disposé sur une ligne joignant le côté cathode du thyristor à une entrée de réarmement de la bascule 22. Un schéma plus détaillé du dispositif de la figure 4 est représenté sur la figure 5. Un signal de commande v continu ou alternatif redressé est appliqué aux bornes Al, A2 du relais. Une forte résistance R5 est interposée entre l'anode et la gâchette du thyristor TH1 pour faciliter l'auto-allumage de celui-ci. La présence de cette résistance n'étant pas indis pensable, elle n'a pas été prévue sur les schémas des figures précédentes. L'opérateur à seuil 21 du type trigger de Schmitt est relié à l'entrée H et d'autre part à l'entrée C1 d'une bascule 22 de type D. On pourrait bien entendu utiliser d'autres opérateurs à seuil, par exemple un comparateur de tension ou tout autre opérateur approprié. Le circuit de traitement comprend une alimentation positive 24 et la source d'alimentation négative 23. L'alimentation 24 comporte une diode D1 disposée entre la borne de puissance 1 et un condensateur C1 ; il est prévu entre la diode D1 et le condensateur C1 une capacité C2 en série avec une résistance R6 pour abaisser la tension au niveau souhaité d'alimentation ; une diode D2 est reliée à un point intermédiaire entre D1 et C2. Une diode Zener DZl est disposée en parallèle au condensateur C1 pour limiter la tension. La sortie Q de la bascule D 22 est reliée à la base du phototransistor TR1 via la résistance R2 pour appliquer à ladite base le signal SA. La sortie Q de la bascule est reliée via une résistance R7 à la base d'un transistor bipolaire 25 qui constitue en couplage avec un transistor à effet de champ 26 l'interrupteur I5 d'extinction. L'interrupteur I5 peut être constitué par un seul transistor bipolaire ou par un montage Darlington. La source et le drain du transistor 26 sont reliés respectivement à la source de tension négative 23 et à la gâchette du thyristor TH1. En parallèle au condensateur C1 et à la diode Zener DZ1, il est prévu un circuit série RS, C3 dont le point intermédiaire entre R8 et C3 est relié via une porte NAND à l'entrée d'horloge C1 de la bascule afin dlen permettre la remise à zéro. On trouve en dérivation sur le condensateur C l'interrupteur de réarmement I6. Le circuit de commande et de traitement de la figure 5 fonctionne de la manière précédemment décrite. La figure 6 montre une variante de réalisation dans laquelle on discrimine les surcharges des courts-circuits francs au moyen de deux opérateurs à seuils différents, à savoir un opérateur à seuil haut 27 détectant les courants de courtcircuit franc et un opérateur à seuil bas 28 détectant les courants de surcharge et relié à un élément de retard 29 l'opérateur à seuil 27 et l'élément de retard 29 sont reliés aux entrées d'un OU logique 30 à porte ou câblé lui-même relié à une entrée de la bascule 22 délivrant à sa sortie les signaux de coupure SA et d'extinction SB. On constate qu'ainsi le relais statique s'ouvrira rapidement en cas de court-circuit et avec un retard prédéterminé en cas de surcharge. I1 va de soi que l'on peut apporter aux modes de réalisation décrits des modifications sans sortir du cadre de l'invention. L'élément détecteur de courant 10 peut être constitué par un miroir de courant ou un amplificateur de tension. Une alimentation auxiliaire pourrait être prévue dans le relais. Revendications de brevèt 1. Relais statique comprenant deux thyristors disposés selon un montage antiparallèle dont les bornes sont susceptibles d'être reliées à un circuit de courant alternatif, - chaque thyristor étant un thyristor normalement conduc dV teur, auto-allumable à chaque passage par zéro avec dV > de sa tension anode-cathode, - le relais comprenant un circuit de commande couplé aux gâchettes des thyristors et comprenant un premier inter rupteur prévu sur un chemin de court-circuit gâchette cathode de chaque thyristor, l'interrupteur de court circuit d'émetteur étant normalement ouvert ou dans un état de forte impédance, - l'ouverture du relais s'effectuant en réponse à un signal de commande qui rend passant le premier interrupteur de court-circuit, caractérisé par le fait qu'il est prévu, pour chacun des thyristors normalement conducteurs (TH1, TH2), un circuit de protection comportant - un élément (10) détecteur du courant qui traverse le thyristor, cet élément détecteur délivre un signal image du courant, - un circuit (20) de traitement de ce signal pour produire un signal de coupure (SA) lorsque le signal image du courant dépasse un seuil prédéterminé, - un deuxième interrupteur (I3, I4) prévu sur le chemin de court-circuit gâchette-cathode (CC1, CC2) du thyristor et sollicitable par le signal de coupure, - l'ouverture du relais s'effectuant en réponse au signal de coupure lorsque celui-ci rend passant le deuxième inter rupteur de court-circuit gâchette-cathode. 2. Relais statique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier et le deuxième interrupteurs de court-circuit gâchette-cathode sont constitués par un seul interrupteur statique (TR1, TR2) dont l:électro- de de commande est sollicitable par le signal de commande (v) et par le signal de coupure (SA). 3. Relais statique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le circuit de traitement (20) se compose d'un opérateur à seuil (21) relié à une bascule (22) dont une sortie (Q) est reliée au deuxième interrupteur (13fi 14). 4. Relais statique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le circuit de traitement (28) comporte deux opérateurs à seuils différents (27, 28) reliés par l'intermédiaire d'un OU logique (30) à une bascule (22) dont une sortie (Q) est reliée au deuxième interrupteur (13, I4), l'opérateur (28) qui présente le seuil le plus bas étant relié au OU logique via un élément de retard (30). 5. Relais statique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le circuit de traitement comprend un moyen de sollicitation de la gâchette du thyristor normalement conducteur par une impulsion de tension négative, susceptible de relier la gâchette (G) du thyristor à un circuit d'extinction (23) en réponse à la détection d'un courant de court-circuit aux bornes du relais. 6. Relais statique selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le moyen de sollicitation de la gâchette comporte un troisieme interrupteur statique (I5) relié à une source de tension négative et commandé par la bascule (22) délivrant le signal de coupure (SA) au deuxième interrupteur statique (I3, I4).