Brevet FR2584883A1 — publié le 19870116

-4 2584883 La présente invention concerne un circuit de commande à grille de contrôle pour un interrupteur de circuit à l'état solide. L'utilisation de circuits à l'état solide, dans le but d'éliminer la formation d'arcs aux contacts des dispositifs de coupure de circuit, ne s'est pas avérée jusqu'ici faisable sur le plan économique. Lorsqu'on utilise des éléments de circuit commutables, il faut ajouter un circuit complexe pour faire passer à l'état conducteur le dispositif de circuit à l'état solide et éloigner immédiatement le courant des contacts en cours de séparation, afin de transférer ensuite le courant à un dispositif commandé par tension, par exemple à un varistor en oxyde métallique. L'utilisation d'un redresseur contrôlé au silicium pour éloigner le courant des contacts pendant leur séparation est décrite dans le brevet britannique 1 072 267. L'emploi d'un triac comportant une résistance dépendant de la tension, montée aux bornes du circuit de grille du triac, est divulgué dans le brevet britannique n 1 152 903. Le brevet des Etats-Unis 3 783 305 décrit un circuit logique relié à l'électrode de commande d'un thyristor pour - 2 - 2584883 produire une impulsion de déclenchement destinée au thyristor lors de la séparation des contacts. La demande de brevet français N 85 19299 décrit l'utilisation d'un élément présentant un coefficient de température positif et d'un varistor branché en parallèle aux contacts se séparant. L'élément à coefficient de température positif est capable d'éloigner le courant des contacts et de le transmettre au varistor grâce à sa sensibilité à la température. La demande de brevet français N 85 18510 utilise une diode Zener dans le circuit de grille d'un commutateur à l'état solide de manière à rendre celui-ci conducteur lorsque la tension de l'arc aux bornes d'une paire de contacts venant de se séparer atteint une tension pré-déterminée. Un conden- sateur monté en parallèle avec un varistor se charge rapidement jusqu'à la tension de blocage de ce dernier afin de lui transférer le courant et de l'éloigner du commutateur. La demande de brevet des Etats-Unis N 610 947 utilise un transistor de puissance bipolaire pour éloigner le courant des contacts se séparant et l'appliquer à un varistor en oxyde métallique. Le transitor est tout d'abord rendu conducteur par une impulsion de courant fournie par un condensateur monté entre le collecteur et la base du transistor. Un transformateur de courant à noyau saturable monté dans le circuit du transistor fournit une commande de base à réinjection pour le transistor et celui-ci passe à l'état non-conducteur lorsque le noyau du transformateur devient saturé. On décrit également l'utilisation d'un transistor à effet de champ, d'un transistor commandé par champ et de dispositifs à grille de contrôle tels que des thyristors à la place du transistor de puissance bipolaire. La présente invention a pour objet un moyen rapide de transfert du courant de contacts se séparant à un varistor en oxyde métallique pendant un court laps de temps et avec une quantité minimum de composants de circuit. - 3 - La présente invention comprend un thyristor à grille de contrôle (G C) monté aux bornes d'une paire de contacts pouvant se séparer afin d'éloigner le courant des contacts lors de la séparation et éliminer virtuellement toute formation d'arc entre les contacts. Lorsque les contacts sont séparés, le thyristor GC est rendu momentanément conducteur, puis non-conducteur de manière à transférer le courant à un dispositif de blocage de tension, tel qu'un varistor. Le varistor est monté aux bornes du thyristor GC et un transformateur de courant à noyau saturable est disposé dans le circuit du thyristor GC de manière à commander avantageu- sement le passage aux états conducteur et non-conducteur du thyristor. La description qui va suivre se réfère à la figure annexée qui est une représentation schématique du circuit de commande d'un thyristor à grille de contrôle selon la présente invention. L'interupteur de circuit à l'état solide 10 représenté en figure 1 trouve une application lorsqu'il faut procéder à une commutation sans formation d'arc, par exemple dans l'atmosphère explosive des mines, et lorsqu'on a besoin d'une commutation "exempte de bruit", comme cela est le cas dans une instrumentation électronique sensible. Un bus de puis- sance constitué de conducteurs 11 et 12 contient un commuta- teur en série 13 du type constitué d'une paire de contacts fixes 14, 15 et d'un contact mobile de shuntage 16. Lorsque l'interrupteur de circuit doit être utilisé en dispositif de protection de circuit, on utilise un détecteur de courant tel qu'un transformateur de courant, et un mécanisme de travail tel que celui décrit dans le brevet des Etats-Unis N 4 115 829 et dans le brevet des Etats-Unis N 4 001 742 est employé pour ouvrir rapidement le commutateur lors de l'apparition d'une surcharge. Un organe d'entraînement des contacts à haute vitesse, tel que celui décrit dans la demande de brevet français N 85 19004 peut être employé pour éloigner le 4- - 2584883 contact de shuntage 16 des contacts fixes 14, 15 lorsqu'on souhaite une interruption à haute vitesse du circuit et une limitation du courant. Pour faciliter la coupure du circuit sans formation d'arc, on branche un circuit 17 à grille de contrôle aux bornes du commutateur 13 au moyen de conducteurs 18 et 19. Le circuit à grille de contrôle comporte un thyristor 20 à grille de contrôle, désigné ci-après par thyristor GC, et un varistor 25 en oxyde métallique ou en carbure de silicium branché aux bornes de l'anode et de la grille du thyristor. La cathode du thyristor GC est branchée par l'intermédiaire de l'enroulement primaire 23 d'un trans- formateur de courant 21 et d'une paire de diodes basse tension à récupération rapide, D1 et D2. Le varistor 25 est monté en série avec l'enroulement secondaire 24 et en commun avec la grille du thyristor GC. On choisit le noyau 22 du transformateur pour qu'il se sature à une valeur prédétermi- née du courant et du temps. Avec les contacts du commutateur dans la position fermée, le thyristor GC reste à l'état de non-conduction et le courant passe entre les contacts 14 et 15. Lorsque les contacts sont ouverts, une tension est appliquée à un condensateur C monté entre les bornes du varistor, ce qui se traduit par le passage d'un courant positif de grille dans le conducteur 27 pour mettre le thyristor GC à l'état conducteur et éloigner le courant des contacts. Dans certaines réalisations de circuit, on peut éliminer le condensateur C et la capacité inhérente du varistor lui-même suffit pour rendre le thyristor conducteur. En variante, on peut monter le varistor 25 entre le conducteur 18 et la cathode du thyrisor GC, la cathode de D1 ou la cathode de D2, ou le conducteur 19. Avec certaines réalisations de thyristor GC, il est avantageux de brancher le condensateur C entre le conducteur 18 et la cathode du thyristor GC ou la cathode de D1 ou la cathode de D2 afin de limiter le taux de croissance de la tension aux bornes du thyristor, agissant en "amortisseur". Lorsque le thyristor GC - 5 - -5 - 2584883 est rendu conducteur, le courant traverse alors le thyristor et les diodes D1 et D2 ainsi que l'enroulement primaire 23. Le transformateur de courant continue de fournir le courant de grille au thyristor GC dans une direction positive de régénération jusqu'à ce que son noyau 22 se sature. A ce moment là, la tension induite du transformateur de courant s'écroule et un courant négatif sort de la grille du thyristor GC, entraînant encore plus en saturation le noyau du transformateur de courant. On choisit l'impédance de saturation du transformateur de courant pour que la totalité du courant puisse sortir de la grille du thyristor GC avec une chute de tension inférieure aux tensions de conduction de la grille-cathode et des diodes D1 et D2, provoquant le passage à l'état non-conducteur du thyristor. Dès que le thyristor GC est passé à l'état non-conducteur, le courant est transféré au varistor 25 et la tension aux bornes de ce varistor est la tension prédéterminée de blocage. Comme la tension de blocage dépasse celle du système, le courant diminue rapidement et la tension aux bornes du commutateur 13 tombe à la valeur de la tension du système. Dans certaines applications, on peut brancher un circuit auxiliaire de commande 28 à la grille du thyristor GC par l'intermédiaire d'une diode D3 et du conducteur 27 et à l'enroulement primaire du transformateur de courant par l'intermédiaire d'un conducteur 29. Le circuit de commande 28 fournit le courant de grille au thyristor GC de manière à le rendre conducteur. La saturation du transformateur provoque le passage à l'état non- conducteur du transistor GC sous l'effet du courant négatif de grille. On trouvera un exemple de circuit de commande fournissant un courant de grille contrôlé dans la demande de brevet français N 86 05579. Dans la plupart des applications, on peut se dispenser du circuit de commande 28 et le courant capacitif traversant le varistor 25 et/ou le condensateur C relié au transformateur 21 sont tout à fait capables d'assurer la fonction de mise à l'état - 6 - conducteur, et la fonction de mise à l'état non-conducteur est obtenue en choisissant de manière appropriée la caracté- ristique de saturation du noyau 22 du transformateur. On vient donc de faire la démonstration qu'on peut obtenir la rupture d'un circuit en ne provoquant virtuelle- ment aucun arc au moyen d'un circuit de commande à grille de contrôle, grace à quoi le courant du circuit est transféré automatiquement à un thyristor GC dès que les contacts se séparent. Le cou.ant est transféré à un varistor en oxyde métallique lorsque la grille du thyristor GC est amenée à l'état non- conducteur o le courant se rapproche de zéro lorsque l'énergie emmagasinée dans le système s'est dissipée dans le varistor. - 7 - REVENDICATIONS 1. Interrupteur de circuit, caractérisé en ce qu'il comprend: une paire de contacts séparables (14, 15) montés en série dans un circuit électrique; un dispositif semi-conducteur à grille de contrôle, monté aux bornes des contacts pour éloigner le courant du circuit des contacts lors de leur séparation; et un moyen de commande (17) dans le circuit du dispositif semi-conducteur à grille de contrôle pour mettre ce disposi- tif à l'état conducteur au moment même de la séparation des contacts et pour le mettre à l'état non-conducteur à l'issue d'un laps de temps prédétermine. 2. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif semi-conducteur à grille de contrôle comprend un thyristor à 4 couches (20). 3. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif commandé par tension (25) qui est monté aux bornes du dispositif semi-conducteur à grille de contrôle (20) pour fournir un trajet pour le courant lorsque ce dispositif semi-conducteur à grille de contrôle est mis à l'état non-conducteur et pour limiter la tension présente aux bornes du dispositif semi-conducteur à grille de contrôle. 4. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif capacitif (C) monté entre l'anode et la grille du dispositif semi-conducteur à grille de contrôle (20) pour fournir un courant à la grille lors de la séparation des contacts et faire ainsi passer à l'état conducteur le dispositif semi-conducteur à grille de contrô- le. 5. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif semi-conducteur à grille de contrôle est monté aux bornes des contacts (14, 15) par l'intermé- diaire d'au moins une diode (D1; D2). -8 2584883 6. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un transformateur de courant (21) monté en série avec le dispositif semi-conducteur à grille de contrôle. 7. Interrupteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire (24) du transformateur de courant est relié à la cathode et à la grille du disposi- tif semi-conducteur à grille de contr8le afin de fournir à la grille un courant de grille de régénération. 8. Interrupteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le transformateur de courant (21) comporte un noyau saturable (22) afin d'interrompre le courant de grille et mettre à l'état non-conducteur le dispositif semi-conduc- teur à grille de contrôle à l'issue d'un laps de temps prédéterminé. 9. Interrupteur selon la revendication 3 et la revendi- cation 8, caractérisé en ce que le courant du circuit est transféré à l'élément dépendant de la tension (25) à. l'issue du laps de temps prédéterminé. 10. Interupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de commande (28) dans le circuit du dispositif semi- conducteur à grille de contrô1e pour mettre à l'état conducteur le dispositif semi-conducteur à grille de contrôle dès la séparation des contacts (14, 15) et pour mettre à l'état non-conducteur le dispositif semi-conducteur grille de contrôle à l'issue d'un temps prédéterminé. 11. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif capacitif (C) monté entre l'anode et -la cathode du dispositif semi-conducteur à grille de contrôle de manière à mettre à l'état conducteur le dispositif semi-conducteur à grille de contrôle et limiter le taux de la montée de la tension aux bornes de ce disposi- tif.