Brevet FR2574233A1 — publié le 19860606

APPAREIL INTERRUPTEUR STATIQUE DE PUISSANCE. La présente invention concerne un appareil interrupteur statique de puissance comprenant des semi-conducteurs commandés et utilisable en tant que relais ou contacteur statique unipolaire ou multipolaire pour courant alterna- tif. Il est connu d'utiliser en commutation de puissance des relais statiques faisant intervenir un organe interrupteur de puissance bidirectionnel à semi-conducteurs commandés, cet organe interrupteur de puissance étant constitué par deux thyristors antiparallèles ou par un triac dont les bornes de puissance sont susceptibles d'être connectées à une source d'énergie électrique alternative en série avec une charge. D'une manière générale, l'énergie nécessaire pour allumer les semi-conducteurs de puissance provient, soit d'un trans- fert par l'intermédiaire du circuit de commande des gâchet- tes des semi-conducteurs, soit d'un courant de fuite à travers la charge. Dans le premier cas, l'énergie nécessaire est peu en rapport avec les niveaux disponibles sur les circuits de sortie d'équipements électroniques de détection, de mesure ou de traitement d'informations. - 2 - Dans le deuxième cas, il est nécessaire d'utiliser un étage de commande très sensible pour réduire au minimum le courant de fuite et comprenant la plupart du temps un thyristor sensible susceptible de répondre au difficile compromis entre une tenue à des tensions crête élevées, une tenue à des dV/dt élevés et un faible courant de gâchette. Toutefois, en l'absence de signal de commande, l'énergie d'allumage du thyristor sensible est dérivée dans un circuit d'inhibition; la présence du signal de commande supprime cette inhibition. La présente invention a en particulier pour but d'éviter ces inconvénients et de créer un appareil interrupteur statique de puissance pour courant alternatif comprenant une partie puissance à semi- conducteurs commandés et un circuit de commande de cette partie puissance, le circuit de commande utilisant un interrupteur à logique positive à faible éner- gie de commande réduisant au minimum le courant de fuite à travers lecircuit de puissance. Dans le cas o l'on souhaite commander l'allumage des semi- conducteurs de puissance au voisinage du zéro de tension, l'invention a pour autre but d'adjoindre à l'interrupteur à logique positive un circuit approprié d'autorisation d'allumage polarisable par des moyens à forte impédance pour minimiser le courant de fuite du circuit de puissance. L'invention concerne un appareil interrupteur statique de puissance comprenant: - une partie puissance munie d'un organe interrupteur de puissance bidirectionnel comportant au moins un semi- conducteur commandé du genre thyristor ou triac dont les bornes de puissance peuvent être reliées à une source alternative en série avec une charge, -3 - - un circuit de commande de l'organe interrupteur de puis- sance, ce circuit comportant un premier interrupteur de commande dont le chemin de courant est relié à- la gâchette du semi-conducteur de puissance par l'intermédiaire d'un pont redresseur double alternance, l'interrupteur étant relié à un circuit susceptible de générer l'énergie de commande dudit interrupteur en réponse à un signal d'entrée. Selon l'invention, l'interrupteur de commande est un tran- sistor à effet de champ à grille isolée MIS, de préférence du type MOS haute tension, dont le chemin drain-source est connecté aux bornes de tension continue du pont redresseur pour être relié par l'intermédiaire du pont et d'au moins un organe limiteur de courant à la gâchette du {des) semi- conducteur(s) et dont la grille est connectée à une sortie du circuit générateur d'énergie de commande, lequel circuit comprend un moyen d'isolement galvanique. La liaison du chemin drain-source du MOS s'effectue dans le cas de deux thyristors montés en antiparallèle avec les gâchettes de ces deux thyristors et dans le cas d'un triac avec la gâchette et l'électrode N 2 du triac. Le circuit de commande associé aux semi-conducteurs comman- dés permet ainsi de fournir à l'interrupteur de commande une faible énergie, d'un niveau équivalent à celui pratiqué dans les optocoupleurs; il est particulièrement simple et peu coûteux lorsqu'il comprend un transformateur dénué de noyau ferromagnétique ou une céramique piézoélectrique pour transmettre à la grille du MOS un signal de commande tout en assurant une isolation galvanique vis-à-vis du circuit délivrant le signal d'entrée. Un deuxième interrupteur de commande peut avantageusement être disposé en parallèle au chemin de courant source-grille du premier interrupteur de commande MOS, le deuxième inter- rupteur étant commandé par un signal représentatif de la -4- tension aux bornes de tension continue du pont redresseur pour se fermer à des instants rigoureusement séparés de 1800 lorsque cette tension dépasse un seuil prédéterminé voisin de zéro. On comprend que l'on produit ainsi une commutation des semi-conducteurs commandés au voisinage du zéro de tension de la source alternative avec un minimum de dériva- tion du courant à l'état bloquant des semi-conducteurs, grâce à l'utilisation d'un pont à impédance très élevée. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la descrip- tion ci-après. Au dessin annexé: La figure 1 représente le schéma d'un appareil inter- rupteur statique de puissance selon l'invention comprenant deux thyristors tête-bêche et un circuit de commande à transistor à effet de champ MOS; Les figures 2, 3 et 4 montrent un appareil conforme à la figure 1, muni d'un circuit de commande dont l'organe d'isolement est respectivement un transfor- mateur dénué de noyau ferromagnétique, un optocou- pleur à cellules photovolta!ques et une céramique piézoélectrique; La figure 5 représente le schéma d'un appareil simi- laire à celui de la figure 1 et doté d'un dispositif de commutation au zéro de tension à faible dérivation de courant; La figure 6 montre un appareil à triac commutant au zéro de tension en réponse à l'actionnement d'organes marche et arrêt du circuit de commande; La figure 7 représente le circuit de commande d'un contacteur statique tripolaire commandé par un inter- -5- face de sortie d'automate programmable, avec commuta- tion au zéro de tension. L'appareil interrupteur 10 illustré par la figure 1 comprend une partie puissance 20 à semi-conducteurs commandés et un circuit de commande 30 muni d'un transistor de commande à effet de champ à grille isolée, par exemple du type MOS haute tension, pour polariser en réponse à un signal d'entrée, les gâchettes des semi-conducteurs commandés. La partie puissance 20 présente, dans cet exemple de réali- sation, deux thyristors montés en antiparallèle TH1, TH2 dont les anodes Al, A2 et les cathodes KI, K2 sont reliées à des conducteurs 21, 22 eux-mêmes reliés aux bornes de puis- sance 23, 24 de l'appareil interrupteur. Ces bornes sont destinées à être reliées à une source alternative, par exemple au réseau alternatif basse tension, et à une charge non représentée. Les gâchettes G1, G2 des thyristors TH1, TH2 sont reliées, d'une part, aux bornes de sortie du cir- cuit de commande 30, d'autre part, via des résistances respectives R1, R2, de court-circuit d'émetteur (short- emitter) aux conducteurs 22, 21. En parallèle aux thyristors TH1, TH2, il est prévu un circuit série R3, Cl de protection contre les dr/dt et un élément de protection R4 contre les surtensions. Le circuit de commande 30 comprend un interrupteur de commande à transistor MOS Il dont les bornes drain et source sont reliées par l'intermédiaire d'un organe limiteur de courant L linéaire ou non linéaire (figure 1), constitué par exemple par une résistance RO sur les figures 2 à 7, aux bornes de tension continue 31, 32 d'un pont redresseur double alternance 33; les bornes de tension alternative 34, du pont 33 constituent les bornes de sortie du circuit de commande 30. Il va de soi que la résistance RO peut égale- ment être disposée entre le pont redresseur 33 et les gâchettes G1, G2. La résistance RO peut être constituée en partie ou en totalité par la résistance passante du MOS de - 6 - commande et/ou d'un transistor MOS additionnel disposé en série avec le MOS de commande. A la grille G du transistor MOS est appliqué un signal de commande élaboré en fonction d'un signal d'entrée à faible énergie présenté aux bornes d'entrée 36, 37 d'un organe d'isolement galvanique 38. Le signal d'entrée à faible énergie applicable aux bornes 36, 37 est formé soit par le signal continu fourni par un interface de sortie d'un automate programmable ou par un capteur, soit après redressement par le signal alternatif de sortie d'un tel interfacer soit par un signal délivré par un circuit de marche-arrêt 39 et convenablement amplifié. Les figures 2 à 4 illustrent trois modes de réalisation de l'organe d'isolement et de transmission d'énergie de comman- de 38. Sur la figure 2, l'organe d'isolement galvanique 38a com- prend un oscillateur haute fréquence.40, un transformateur sans fer 41 et un circuit démodulateur 42; ce circuit est du type décrit dans la demande de brevet FR 84 07278 déposée le 11 Mai 1984 pour "Dispositif de commande pour commutateur statique", au nom de la Demanderesse. L'oscillateur 40 opère par exemple à fréquence supérieure à kHz et présente une porte inverseuse trigger de Schmitt a dont les entrées sont reliées aux bornes 36, 37 via une diode Dl antipermutation d'alimentation, une résistance limitatrice R5 et, en parallèle, une diode Zener Zl; la sortie de la porte inverseuse 40a est bouclée sur l'une de ses entrées via le primaire 41a du transformateur sans fer. Le secondaire 41b du transformateur sans fer, isolé du primaire par une feuille ou une carcasse diélectrique d'épaisseur prédéterminée, est connecté aux bornes de grille G et de source S du transistor MOS Il par l'intermédiaire du circuit 42; ce dernier comprend une diode redresseuse D2 en -7- parallèle avec une résistance R6, une diode Zener de protec- tion Z2 et la capacité grille-source du transistor MOS. L'appareil interrupteur de la figure 2 fonctionne de la manière suivante. Un signal d'entrée continu est appliqué aux bornes 36, 37 par exemple à partir d'un interface de sortie d'automate programmable. Le signal écrêté par la diode Zener Z1 est appliqué à l'oscillateur 40 qui produit dans l'enroulement primaire 41a du transformateur sans fer 41 une oscillation à fréquence supérieure à 100 kHz. L'en- roulement secondaire recueille un signal oscillant qui est redressé par la diode D2, lissé par la résistance R6 et la capacité grille-source du transistor MOS Il tout en étant écrêté si nécessaire par la diode Zener Z2. La grille G sollicitée par le signal de commande établit le chemin de courant source-drain, de sorte que le circuit de puissance se ferme par exemple pour une demi-alternance par la borne 23, la résistance R2, les bornes 35 et 32 du pont redres- seur, la résistance R0, le chemin drain-source du MOS, les bornes 31 et 34 du pont et la gâchette G1 du thyristor TH1; ce dernier devient conducteur jusqu'à la fin de la demi- alternance considérée. L'organe d'isolement galvanique 38b de la figure 3 présente un organe limiteur de courant ou générateur de courant constant 50 en série avec l'élément photo-émetteur 51a d'un photocoupleur 51. Les bornes de l'élément récepteur 51b du photocoupleur formé par un ensemble de cellules photovoltai- ques sont reliées à la grille G et à la source S du transis- tor MOS et aux bornes d'une résistance R7 en parallèle au chemin grille-source du MOS. L'organe d'isolement galvanique 38c de la figure 4 comprend successivement un oscillateur 60 du type porte inverseuse montée en trigger de Schmitt, un amplificateur de courant 61, une céramique piézoélectrique 62 et un circuit redres- seur et limiteur 63 doté d'une diode D3 reliée à la grille G et d'une résistance R8 en parallèle au circuit grille-source - 8 - du MOS. La céramique piézoélectrique 62 assure la transmis- sion isolée du signal haute fréquence délivré par l'oscilla- teur 60 et amplifié par l'amplificateur 61 en réponse à un signal de commande apparaissant aux bornes 36, 37 directe- ment raccordées à un interface de sortie d'automate program- mable. Dans le mode de réalisation de la figure 5, on associe en parallèle au circuit grille-source de l'interrupteur de commande Il un deuxième interrupteur de commande I2. La commande de cet interrupteur s'effectue par tout moyen produisant un signal représentatif d'un seuil prédéterminé de tension aux bornes continues du pont redresseur 33, de préférence à l'aide d'un pont diviseur de tension R10, Rll dont les points extrêmes 71, 72 sont reliés aux bornes continues 31, 32 du pont redresseur double alternance 33 et dont le point milieu 70 est relié à une borne 73 de commande de l'interrupteur I2. L'appareil interrupteur de la figure 5 fonctionne comme suit. Lorsque la différence de potentiel à la borne de puissance 23 de l'appareil devient positive et dépasse un seuil prédé- terminé de l'ordre de quelques volts, le thyristor TH2 étant sollicité en inverse et donc bloqué, il apparait à la borne 73 via la résistance R2 de court-circuit d'émetteur, le pont redresseur 33 et le pont diviseur R10, Rll un signal entrai- nant la fermeture de l'interrupteur I2 et produisant ainsi le blocage du transistor MOS Il et, par conséquent, l'inhi- bition d'allumage du thyristor TH1. Inversement, quand la différence de potentiel à la borne 23 devient négative, l'interrupteur I2 s'ouvre et permet la mise en conduction du transistor MOS Il; de la sorte, si à cet instant un signal de commande est présent aux bornes 36, 37 le thyristor TH2 peut s'amorcer. -9 - On notera qu'il découle du circuit décrit que les fenêtres d'autorisation d'allumage des thyristors THI, TH2 sont symétriques. Dans la forme d'exécution de la figure 6, l'interrupteur I2 est avantageusement constitué par un transistor bipolaire T dont la base 73 est reliée au point milieu du pont diviseur R10, Rll. L'organe d'isolement galvanique et de transmission d'énergie 38 peut être constitué par un optocoupleur à cellules photovoltaIques ou par une céramique piézoélectri- que; il est ici représenté sous forme d'un transformateur sans fer 41 dont le primaire est la sortie bouclée d'un oscillateur 40; les bornes du secondaire du transformateur sont respectivement reliées via un circuit démodulateur à la grille G et à la source S du transistor MOS Il, ainsi qu'au collecteur C et à l'émetteur E du transistor bipolaire T. Le circuit de marche-arrêt 39 de la figure 6 comprend un interrupteur marche ON et un interrupteur arrêt OFF ainsi qu'une bascule de validation 39a. Un tel circuit est plus amplement décrit dans la demande de brevet précédemment rappelée. Les interrupteurs ON et OFF sont des boutons- poussoirs ou des semi-conducteurs à commande optique, par exemple des phototransistors commandés par fibres optiques. La partie puissance de l'appareil de la figure 6 comporte un triac TR dont la gâchette GTR est connectée, d'une part, à la borne alternative 34 du pont redresseur 33, d'autre part, à la borne de puissance 24 de l'appareil par une résistance R12 en parallèle avec une capacité C2. La capacité C2 est optionnelle et pourrait dont être supprimée. L'appareil interrupteur représenté sur la figure 7 est un contacteur statique tripolaire associable à un interface de sortie continue d'automate programmable. Chaque pôle comprend un oscillateur haute fréquence 40-1, 40-2, 40-3, un transformateur sans fer 41-1, 41-2, 41-3 et un circuit démodulateur 42-1, 42-2, 42-3 pour appliquer un signal de - 10 - commande à un transistor à effet de champ à grille isolée MOS Ill, I12, I13. Le circuit drain-source de chaque MOS est relié aux bornes continues d'un pont redresseur double alternance respectif 33-1, 33-2, 33-3 par l'intermédiaire d'une résistance limitatrice R0-1, RO-2, RO-3. Les bornes alternatives des trois ponts redresseurs sont reliées aux bornes de sortie respectivement 34-1, 35-1; 34-2, 35-2; 34-3, 35-3 des trois circuits de commande pour les couples associés de thyristors tête-bêche ou pour les triacs de la partie puissance de l'appareil. La commutation symétrique au zéro de tension s'obtient à l'aide de trois transistors T1, T2, T3 montés comme décrit précédemment. Un seul transformateur sans fer peut être prévu avec un seul enroulement primaire et trois enroulements secondaires fortement isolés entre eux. Il va de soi que l'on peut apporter des modifications aux modes de réalisation décrits. Ainsi, dans une forme d'exécu- tion facilitant l'intégration du circuit de commande, on substitue au transistor bipolaire T de commutation au zéro de tension un transistor à effet de champ normalement blo- quant, par exemple du type MOS basse tension, dont la grille est reliée au point intermédiaire 70 du diviseur de tension et dont les électrodes principales sont reliées à la grile et à la source du MOS haute tension. - 11 - Revendications de brevet 1. Appareil interrupteur statique de puissance comprenant: - une partie puissance (20) munie d'un organe interrupteur de puissance bidirectionnel comportant au moins un semi- conducteur commandé du genre thyristor ou triac (TH1, TH2, TR), dont les bornes de puissance peuvent être reliées à une source alternative en série avec une charge, - un circuit de commande (30) de l'organe interrupteur de puissance, ce circuit comportant un premier interrupteur de commande dont le chemin de courant est relié à la gâchette (G1, G2, GTR) du semi-conducteur de puissance par l'intermédiaire d'un pont redresseur double alternance (33), l'interrupteur de commande étant relié à un circuit susceptible de générer l'énergie de commande dudit inter- rupteur en réponse à un signal d'entrée, caractérisé en ce que l'interrupteur de commande est un transistor à effet de champ à grille isolée (MOS) dont le chemin drain-source est connecté à la gâchette du semi- conducteur par l'intermédiaire d'un circuit comprenant un limiteur de courant et un pont redresseur dont les bornes continues sont connectées audit chemin et dont au moins une borne de tension alternative est connectée à ladite gâchet- te, et en ce que la grille (G) du transistor à effet de champ est connectée à une sortie du circuit générateur de signal de commande, lequel circuit comprend un moyen d'isolement et de transmission d'énergie de commande (38). 2. Appareil interrupteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen d'isolement et de transmission d'énergie de commande (38a) comporte un trans- formateur (41) sans noyau ferromagnétique, présentant un enroulement primaire (41a) relié à la sortie d'un oscilla- teur (40) mis en oeuvre par le signal d'entrée et un enroule- - 12 - ment secondaire (41b) relié à la grille (G) du transistor (MOS) par l'intermédiaire d'un circuit démodulateur (42). 3. Appareil interrupteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen -d'isolement et de transmission d'énergie de commande (38c) comprend une céra- mique piézoélectrique (62) reliée, d'une part, via un amplificateur (61) à la sortie d'un oscillateur (60) mis en ouvre par le signal d'entrée et, d'autre part, via un redresseur (D3) à la grille (G) du transistor (MOS). 4. Appareil interrupteur selon l'une des revendica- tions 2 et 3, caractérisé par le fait que l'oscillateur (40, 60) est un oscillateur à porte inverseuse trigger de Schmitt délivrant une onde à fréquence supérieure à environ 100 kHz. 5. Appareil interrupteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen d'isolement et de transmission d'énergie de commande (38b) est constitué par un optocoupleur (51) présentant un élément photoémetteur (51a) en série avec un organe limiteur de courant (50) connecté à une borne d'entrée à laquelle est applicable le signal d'entrée et un élément récepteur (51b) formé par un ensemble de cellules photovoltaiques fournissant l'énergie de commande de l'interrupteur de commande (MOS Il). 6. Appareil interrupteur selon l'une des revendica- tions 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il est prévu entre le premier interrupteur de commande (MOS Il) et le moyen d'isolement et de transmission d'énergie de commande (38) un deuxième interrupteur de commande (I2) dont le chemin de courant principal est disposé en parallèle au chemin de courant grille-source de l'interrupteur (MOS Il), le deuxième interrupteur (I2) étant commuté par un signal représentatif d'un seuil prédéterminé de tension aux bornes continues du pont redresseur (33) pour se fermer à des intervalles - 13 - rigoureusement séparés de 180 lorsque cette tension dépasse un seuil prédéterminé voisin de zéro. 7. Appareil interrupteur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le deuxième interrupteur (I2) est un transistor bipolaire (T) dont la base (73) est reliée au point intermédiaire (70) d'un diviseur de tension (R10, Rll) dont les points extrêmes (71, 72) sont reliés aux bornes continues (31, 32) du pont redresseur (33), le chemin émetteur- collecteur du transistor (T) étant connecté en parallèle au chemin grille-source du transistor (MOS). 8. Appareil interrupteur selon -la revendication 6, caractérisé par le fait que le deuxième interrupteur (I2) est un transistor à effet de champ dont la grille est reliée au point intermédiaire (70) d'un diviseur de tension (R10, Rll) dont les points extrêmes (71, 72) sont reliés aux bornes continues (31, 32) du pont redresseur (33), le circuit drainsource du deuxième interrupteur (I2) étant connecté en parallèle au circuit grille-source du premier interrupteur (Il). 9. Appareil interrupteur selon l'une des revendica- tions 1 à 8, caractérisé par le fait que le signal d'entrée est délivré directement à des bornes d'entrée (36, 37) du moyen d'isole- ment et de transmission d'énergie de commande (38) par un interface de sortie d'automate programmable ou par un capteur. 10. Appareil interrupteur selon l'une des revendica- tions 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il est prévu en amont des bornes d'entrée (36, 37) du moyen d'isolement et de transmission d'énergie de commande (38) un organe de marche-arrêt (39).