Brevet FR2584879A1 — publié le 19870116

CIRCUIT DE SHUNT DE COURANT DE FUITE POUR DISPOSITIFS DE COMMANDE DE PUISSANCE A SEMICONDUCTEURS. Cette invention concerne des circuits de commande, et plus particulièrement des circuits qui sont utilisés en combinaison avec des dispositifs de commutation à semicon- ducteurs. Les dispositifs de commutation à semiconducteurs, que l'on peut appeler de diverses façons, à savoir disposi- tifs de commande de puissance à semiconducteurs, disjonc- teurs de circuits à semiconducteurs ou commutateurs à semi- conducteurs, présentent de nombreuses caractéristiques de fonctionnement qui les rendent préférables aux dispositifs de commutation mécaniques dans de nombreuses applications. Toutefois, chacun de ces dispositifs de commutation comporte un commutateur à semiconducteurs, qui, dans son état ouvert, ne procure pas un circuit totalement ouvert. Le courant de fuite qui passe dans le dispositif de commutation pendant qu'il est dans son état bloqué peut produire un danger d'électrocution pour le personnel d'entretien et limite par conséquent la recevabilité par les utilisateurs des dispo- sitifs de commande de puissance à semiconducteurs. Une con- dition de circuit particulièrement concernée est celle qui se produit si une charge est déconnectée au cours d'une opé- ration de maintenance et o la tension de sortie du dispo- sitif de commande de puissance à semiconducteurs s'élève jusqu'à la tension d'alimentation. L'utilisation de circuits amortisseurs aux bornes du commutateur de puissance à semi- conducteurs pour satisfaire aux exigences du rapport dv/dt augmente le courant de fuite du commutateur de puissance ouvert. Un objet principal de l'invention est de fournir un dispositif de commande de puissance à semiconducteurs pour limiter à un niveau faible la tension de charge en état bloqué, afin de prévenir les risques d'électrocution potentiels et d'éliminer la possibilité de délivrer par inadvertance une tension élevée aux bornes de charge d'un dispositif de commande. En vue de cet objet, la présente invention se compose d'un circuit de commande pour un dispositif de com- mande de puissance à semiconducteurs, comportant un moyen de commutation ayant une première impédance dans un état de MARCHE et une deuxième impédance dans un état d'ARRET, dans lesquels ladite deuxième impédance est plus élevée que ladite première impédance; un moyen de commande pour mettre ledit moyen de commutation sur marche ou sur arrêt; et un moyen pour connecter électriquement ledit moyen de commuta- tion en série entre une borne d'entrée de puissance et une première borne de sortie de charge, caractérisé par un cir- cuit de shunt connecté électriquement entre ladite première borne de sortie de charge et une deuxième borne de charge, pour shunter le courant de fuite dudit moyen de commutation lorsque ledit moyen de commutation est dans ledit état d'ARRET; et un moyen d'actionnement associé avec ledit moyen de commande pour mettre ledit circuit de shunt en service en réponse à un signal de commande suivant une transition dudit moyen de commutation d'un état de MARCHE à un état d'ARRET, et pour mettre ledit circuit de shunt au repos en réponse audit signal de commande avant une transition dudit moyen de commutation d'un état d'ARRET à un état de MARCHE. La réalisation préférée de l'invention va être décrite, à titre d'exemple, par rapport aux dessins joints, dans lesquels: la Figure 1 est une représentation schématique d'un circuit de commande construit selon une réalisation de la présente invention;. la Figure 2 est une représentation schématique d'une autre configuration de transistor de shunt qui peut être utilisée dans le circuit de la Figure 1; la Figure 3 est une représentation schématique qui illustre les connexions employées lorsque le circuit de la Figure 1 est appliqué à un système polyphasé; les Figures 4 et 5 sont des représentations sché- matiques de circuits fonctionnant en shunt différents; la Figure 6 est une représentation schématique d'un circuit construit selon la présente invention pour être utilisé dans une application à courant continu; les Figures 7 et 8 sont des courbes illustrant les caractéristiques de fonctionnement du circuit de la Figure 1; et la Figure 9 est une représentation schématique d'une autre réalisation différente de la présente invention. Si l'on se réfère aux dessins, la Figure 1 est une représentation schématique d'un circuit de commande comportant un dispositif de commande de puissance à semi- conducteurs et un circuit de courant de fuite de shunt cons- truit selon une réalisation de la présente invention. Un dispositif de commande de puissance à semiconducteurs (ou SSPC) 10 comporte une alimentation interne 12, un circuit logique 14, un circuit d'attaque 16, et un dispositif de commutation de puissance 18. En général, le dispositif de commutation de puissance 18 sera un dispositif à semiconduc- teurs tel qu'un thyristor ou un transistor à effet de champ ayant une première impédance dans un état de MARCHE et une deuxième impédance, plus élevée, dans un état d'ARRET. Le dispositif de commande de puissance à semiconducteurs 10 est connecté entre une borne d'entrée de puissance LN et une première borne de charge LD par l'intermédiaire d'un fusible 20. Un dispositif de commande de puissance carac- téristique est représenté dans le brevet US n 4 404 473, délivré le 13 septembre 1983 à Fox. Un commutateur S1 est utilisé pour assurer la commande de marche/arrêt du dispositif de commande de puis- sance 10 et pour délivrer du courant à un moyen pour la production d'un signal de commande qui met sous tension le circuit de shunt de courant de fuite de la Figure 1. En mettant S1 sur la position "arrêt", la tension d'alimen- tation est délivrée à la résistance d'abaissement de la ten- sion R1 et au transformateur TR1. La tension du secornuaire du transformateur est redressée par le pont BR2, filtrée, -eUnmmoo STOJq I saaOeuuoo D uos { Sd Be ZlSd 'LRASd seuJoq set anb sTpuem 'eaJeqo ep seujoq salt uaques9adeaJ aQ 4e za' 'Qli saujoq sel 'eajnTj eaqeo suea eanST ue,iuom 5 ammoo 'saoueuJaeTe xnap e gseqdTa inesseapea ep uoTeanTj uoo aun suep 9uD!e LúD '9uD 'GUD '4pD '& D sepoTp sel jed oeTldmaJ eves I ean2& el ep LUg auod ael 'seaTelodTa sineq -onpuooTmaes eo auessTnd ep epuemmoo ep sjTqTsodsTp sap Jnod Àuemwlt Inas un e sagaeqo sep queXe saeTelodTq no saTelod o -Tun sJne4onpuooTmas e aouessTnd ep epuemmoo ap sjTqTsodsTp sep anod eapuaTAuoo I eajnT el ep TnoaTo eq À 1 aJngT el suep 1b joqsTsueaq ne eaon4Tsqns aiqq qned Tnb 'zD apoTp eun oaAee eTJas ue Zb aeTeTodTq uoT4emnmmoo ep aoqsTsueja un gz ZuesTITqn uoTçeanTjuoo eajqne eun eaiuom z ejngT eq 'seAT - -Tsod seoueuJeale seT qe seATeVpa -seoueuàeqle sel quepued TeuuoTqouoj eag qned Lb joqsTsueaq aT enb aeios ap 'sJneaonp -uooTmwes m aouessTnd ap apuemmoo ap STqTsodsTp np aeTaos ap seu oq set Jns quessTeaedde eATqeuae4le uoTsuea el 4uessaepea oz Hg tiuod el suep sanasseapa sae aajeauep uoT4eueamTe8,p saujoq sel aiue a TnoJTo-qJnoo un Ja8TA9 inod aqueqaodmi qsa 1g aouessTnd op jnaneqnmmoo np quemauuoTqouoj ne qJod -dea jed qunqs op qTnoaTo np quamauuoTiouoj np uoTesTuoaqo -uXs el op apuemmoo el 'aneqonpuoo qunqs ap TnoaTo un ans 51 eaqoaem ue sed aem as au 81 aouessTnd op anaoeqnmmmoo el enb qTqueaeS eqnj op queJnoo ap qunqs op qTnoaTo np apTdeJ quam -aqoTlaJ un 'etaqoJemli uoTTsod et suep 9ueme qse IS Jne4e; -nmmoo at enbsao o eTnj ep queanoo ep qunqs op TnoaTo tal eqoaem ua ear.am op queAe,dnoo oaa 4Te OL sJnaqonpuooTmes 01L e aouessTnd op apuemmoo op j3TsodsTp el suep 8g aouessTnd o p anaqeenmmoo aeT anb aTqueaei op uTje,paeeaa quamaqouaeo -e p p leuTs un Lb aosTseueai ne ajATIp zz maoi ue asTm ap 4TnoiTo el LUg uod np sauaoq seajne xnap sel aique 9aoauuoo qsa Lb dmeqo op 4esj e aoqsTsueaj ufl 'N qe al G eajeqo ap sauaoq xne seaqoeuuoo queq saellea auep xnep seuaoq ai4enb eqaodmoo LUg anasseapaa quod un I* D epoTp el qe 'ZD aa Lo saneaesuepuoo sel ' ea Zg saoueqsTsa sel queqaodwoo z amaoj ua asTm ap TnoiTo un e eanbTIdde ae 68teSz teurs de puissance d'un dispositif de commande de puissance triphasé à semiconducteurs. Les bornes 24 et 26 correspondent aux bornes de sortie du circuit de mise en forme 22 de la Figure 1. La Figure 4 est une représentation schématique d'une autre réalisation du circuit de shunt de courant de fuite de la Figure 1, adaptée pour procurer un chemin au courant de fuite quand le dispositif de commande de puissance à semiconducteurs 10 est à l'état bloqué. Ceci s'obtient en combinant comme dans une porte "ou" un signal obtenu, par l'inter- médiaire du transformateur TR2, à partir du circuit logique 14 dans le dispositif de commande de puissance à semiconducteurs avec le signal précédemment délivré par le transformateur TR1 de la Figure 1. Un signal d'état du commutateur repré- sentant un état bloqué sera généré par le circuit logique 14 du dispositif de commande selon une technologie connue, représentée dans le brevet déjà cité US n 4 404 473. Il est évident que le circuit de la Figure 4 rendra passant le transistor Q1 à chaque fois qu'un signal sera appliqué soit au transformateur TR1, soit au transformateur TR2. Pour les dispositifs de commande de puissance à semiconducteurs qui sont actionnées par des signaux de com- mande électriques, les moyens pour actionner le circuit de shunt de courant de fuite viendront de signaux logiques plutôt que d'un commutateur de commande comme représenté en Figure 1. La Figure 5 est une représentation schématique d'un circuit qui utilise un optocoupleur OC1 pour fournir une interface électrique entre un dispositif de commande de puissance à semiconducteurs complètement électronique 32 et un circuit de shunt de courant de fuite qui comporte un pont BR3 et un transistor de commutation Q3. La plupart des dispositifs de commande de puissance à semiconducteurs tirant leur alimentation de commande interne à partir de la tension de la ligne d'entrée, l'excitation du circuit de shunt de courant de fuite est compatible avec la présence de la tension de ligne du dispositif de commande de puissance à semiconducteurs. La Figure 6 est une représentation schématique d'une autre réalisation de la présente invention, dans la- quelle un circuit de shunt de courant de fuite est appliqué sur un dispositif de commande de puissance à semiconducteurs pour courant continu 34. Le circuit de shunt de courant de fuite de la Figure 6 comporte le transistor Q4 et la résis- tance R6. La commande de grille du transistor Q4 est appli- quée sous la forme d'un signal d'arrêt ou de bloquage venant du dispositif de commande de puissance à semiconducteurs 34. Une diode de commutation CR10 est connectée en parallèle sur le transistor Q4. Le circuit de la Figure 6 est utilisé pour des dispositifs de commande de puissance à semiconduc- teurs pour courant continu qui possèdent une ligne commune d'alimentation de commande interne connectée à la masse de l'alimentation. Pour les dispositifs de commande de puissance à semiconducteurs pour courant continu dans lesquels la ligne commune d1alimentation de commande interne n'est pas connectée à la masse de l'alimentation, la configuration du circuit sera la même que celle montrée en Figure 5, mais sans le pont BR3, qui n'est pas nécessaire dans une appli- cation pour courant continu. Jusqu'à présent, la description n'a pas évoqué l'effet d'un commutateur de puissance court-circuité dans un dispositif de commande de puissance à semiconducteurs. Dans ce cas, soit le circuit de shunt de courant de fuite soit le commutateur de puissance devront s'ouvrir, puisqu'ils seront directement connectés aux bornes de la source d'ali- mentation. Dans le circuit de la Figure 1, un fusible 20 a été inclus en série avec le commutateur d'alimentation 18 pour protéger le câblage des circuits. Ce fusible aidera également à éviter d'endommager les composants du circuit de shunt dans le cas d'un court-circuit dans le commutateur de puissance 18. Plusieurs circuits ont été fabriqués et essayés selon cette invention. La Figure 7 montre la caractéristique de tension de sortie en fonction de l'impédance de charge pour l'un des circuits testés. La courbe 36 représente la tension de sortie lorsque le circuit de shunt de courant de fuite est hors service. La courbe 38 représente la tension de sortie lorsque le circuit de shunt de courant de fuite fonctionne. La Figure 8 montre la forme d'onde de la tension de sortie du dispositif de commande de puissance à semicon- ducteurs de l'un des circuits testés lors de l'arrêt et de la mise en marche afin d'illustrer les différents modes de fonctionnement. Pendant la période de temps TI, le dispositif de commande de puissance à semiconducteurs est en train de s'arrêter. Pendant la période de temps T2, le dispositif de commande de puissance à semiconducteurs s'est arrêté et le circuit de shunt de courant de fuite est non conducteur. Pendant la période de temps T3, le dispositif de commande de puissance à semiconducteurs est arrêté et le circuit de shunt de courant de fuite fonctionne. Durant la période de temps T4, le dispositif de commande de puissance à semicon- ducteurs se remet en marche et le circuit de shunt de courant de fuite est encore conducteur. Pendant la période de temps T5, le dispositif de commande de puissance à semiconducteurs est toujours en train de se remettre en marche et le circuit de shunt de courant de fuite est non conducteur. Pendant la période de temps T6, le dispositif de commande de puis- sance à semiconducteurs est en marche et le circuit de shunt de courant de fuite reste arrêté. La Figure 9 est une représentation schématique d'une autre réalisation différente de la présente invention. Dans cette réalisation, le circuit de shunt de courant de fuite comporte le montage série d'un circuit limiteur de courant 40 et d'un circuit de blocage 42. Le circuit limi- teur de courant comporte les résistances R6 et R7, la diode CR11 et le transistor Q5. Le circuit de blocage comporte l'optocoupleur 0C2, la résistance R8 et le transistor Q6. Avec le montage de composants montré en Figure 9, le circuit de shunt de courant de fuite est auto-excité par la pré- sence d'une tension de charge entre les bornes LD1 eu N, et il est mis hors service lorsque l'optocoupleur OC2 reçoit un signal d'état de MARCHE du circuit d'attaque -16 dans le dispositif de commande de puissance à semiconducteurs 10. Le circuit limiteur de courant 40 offre une caractéristique d'autoprotection qui permet au circuit de shunt de courant de fuite de supporter la pleine tension de charge lorsqu'il est dans le mode de conduction. Cette configuration servira dans le cas o le commutateur de puissance 18 est fortuitement mis en marche par un courant transitoire d'un circuit, ou lorsqu'un deuxième dispositif de commande de puissance à semiconducteurs, symboliquement représenté par le montage série du commutateur S2 et de la résistance R10, sera élec- triquement connecté en parallèle avec le dispositif de com- mande de puissance à semiconducteurs 10, afin d'assurer une fonction de rupteur de transfert. Cette situation peut se produire lorsque deux sources d'alimentation alimentent une charge par l'intermédiaire de deux dispositifs de commande de puissance à semiconducteurs, dans lesquels l'un des deux dispositifs de commande est toujours en marche et l'autre est toujours arrêté. La conséquence de ce type de fonction- nement est que le dispositif de commande de puissance à semiconducteurs arrêté est soumis à une tension de charge dans son état bloqué. Dans le circuit de la Figure 9, lorsque S1 et S2 sont ouverts, Q5 et Q6 conduisent et limitent la tension de charge à une valeur faible, par exemple 5 volts, la charge 21 étant en circuit ouvert. Ceci correspond à un courant de fuite de, par exemple, 3 milliampères. Si un deuxième dispositif de commande de puissance à semiconducteurs, con- necté en parallèle avec le dispositif de commande 10, se met en marche comme représenté par la fermeture du commu- tateur S2 de la Figure 9, le courant dans le circuit de shunt de courant de fuite va augmenter jusqu'à une valeur plus importante, par exemple 11 milliampères. Lorsque le dispositif de commande de puissance à semiconducteurs 10 est mis en marche lorsque l'on amène le commutateur S1 en position de marche, le courant envoyé au circuit d'attaque 16 excite l'optocoupleur 0C2, supprimant ainsi la commande de base de Q6 et désamorçant le circuit de shunt. Le circuit de la Figure 9 possède comme avantage supplémentaire le fait qu'il peut fonctionner sans modification pour dériver le courant de fuite lorsque le dispositif de commande de puis- sance à semiconducteurs a été bloqué. Les circuits de la présente invention assurent une limitation de la tension lorsque le dispositif de com- mande de puissance à semiconducteurs est arrêté du fait d'un commutateur de commande ouvert, de l'absence d'un signal de commande d'entrée, ou de l'apparition d'un état bloqué. Le circuit de shunt de la Figure 9 comporte une protection inhérente pour le cas o le dispositif de commande de puis- sance à semiconducteurs a des fuites à l'état arrêté ou bloqué, pour le cas o il se met fortuitement en marche à la suite d'une impulsion transitoire de la tension de ligne, et pour le cas o la tension de ligne est connectée aux bornes de charge, comme cela peut se produire lors des essais ou si plusieurs dispositifs de commande de puissance à semi- conducteurs sont connectés en parallèle. Dans le but de fournir une description plus com- plètede la présente invention, le Tableau I comporte une liste des composants qui peuvent être utilisés pour cons- truire les circuits montrés dans les figures. TABLEAU I COMPOSANT Type/Valeur Q1 Ferranti ZVNO545B Q2 Motorola MPSA42 Q3 Motorola MJ4647 Q4 Ferranti ZVNO545B Q5 2N6212 Q6 Motorola MPSA42 CR1, CR2, CR9 1N4148 CR3, CR4, CR5, CR6, CR7, CR8 1N649 CR11 1N746 OC1 Motorola MOC8204 0C2 4N23 R1 30K R2 2K R3 10K R4 2M R5 20K R6 180 Q R7 24K R8 51K C1 2,2 efd, 20 v C2 2,2 qfd, 20 v BR1 4 x 1N649 BR2 VE 18X BR3 4 x 1N649 TR1 TRW DIT - 25 TR2 100 tours: 100 tours de fil n 38 sur un noyau de ferrite toroldal de 7,62 mm x 3,175 mm x 4,826 mm Pour le circuit de la Figure 1, les valeurs de composants données sont choisies pour donner des constantes de temps de mise en marche et d'arrêt du circuit de 20 mil- lisecondes et de 2 millisecondes, respectivement, pour le 1 1 signal de déclenchement du transistor QI. Le type de la diode utilisée pour le composant n CR10 de la Figure 6 sera déterminé pour chaque application selon les pratiques technologiques connues. Revendications 1. Circuit de commande pour un dispositif de commande de puissance à semiconducteurs comportant un moyen de commutation ayant une première impé- dance dans un état de MARCHE et une deuxième impédance dans un état d'ARRET, dans lesquels ladite deuxième impédance est plus élevée que ladite première impédance; un moyen de commande pour mettre en marche ou pour arrêter ledit moyen de commutation; et un moyen pour connecter électriquement ledit moyen de commutation en série entre une borne d'entrée de puissance et une première borne de sortie de charge, caractérisé par un circuit de shunt connecté électriquement entre ladite première borne de sortie de charge et une deuxième borne de charge, pour shunter le courant de fuite dudit moyen de commutation lorsque ledit moyen de commutation est dans ledit état d'ARRET; et un moyen d'actionnement associé avec ledit moyen de commande pour mettre ledit circuit de shunt en service en réponse à un signal de commande suivant une transition dudit moyen de commutation d'un état de MARCHE à un état d'ARRET, et pour mettre ledit circuit de shunt au repos en réponse audit signal de commande avant une transition dudit moyen de commutation d'un état d'ARRET à un état de MARCHE. 2. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé de plus en ce que ledit moyen d'actionnement délivre un signal de commande audit circuit de shunt en réponse à un signal de blocage venant dudit moyen de com- mande. 3. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé de plus en ce que ledit moyen d'actionnement comporte une alimentation, connectable de façon à recevoir du courant de ladite borne d'entrée de puissance; et un circuit de temporisation pour retarder l'application de la tension audit circuit de shunt à partir de ladite alimentation. 4. Circuit de commande selon la revendication 3, caractérisé de plus en ce que ledit circuit de shunt comporte un pont redresseur à deux alternances possédant quatre bornes, les deux premières desdites bornes du pont étant connectées auxdites première et deuxième bornes de charge; et un commutateur à transistors connecté électriquement entre les deux dernières desdites bornes du pont. 5. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé de plus en ce que ledit moyen de connexion comporte un fusible. 6. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé de plus par une diode polarisée en inverse connectée électri- quement en parallèle sur ledit circuit de shunt; et dans lequel ledit circuit de shunt comporte un commutateur à transistors.