Brevet FR2591397A1 — publié le 19870612

DISPOSITIF DE COMMANDE ET DE PROTECTION CONTRE L'ECH UFFE MENT POUR THYRISTOR ET INTERRUPTEUR STATIQUE MUNI D'-UN TEL DISPOSITIF. La présente invention concerne un dispositif de commande et de protection contre l'échauffement pour un thyristor susceptible d'être disposé dans un circuit électrique de puissance. De manière connue, les dispositifs de commande pour thyris- tcrs présentent couramment un étage de commande qui comprend un circuit logique bistable relié à la gâchette du thyristor pour appliquer à celle-ci un signal de gâchette en réponse à un signal de commande. Le circuit bistable reçoit, d'une part, le signal de commande et, d'autre part, des impulsions de validation dépendant du passage au zéro de la tension aux bornes de puissance du thyristor ; de la sorte, l'étage de commande délivre le signal de gâchette dans un créneau temporel de validation prédéterminé, en assurant ainsi une protection contre les courants transitoires. I1 est également connu de mesurer l'échauffement d'un composant interrupteur de puissance, par exemple d'un transistor ou d'un thyristor, au moyen d'une résistance variable avec la température ; cette résistance est réalisée par une jonction semi-conductrice, un transistor ou un thermocouple disposé au voisinage immédiat de l'interrupteur de puissance, et notamment susceptible d'être intégrée ou rapportée sur le meme substrat que celui-ci. L'invention a en particulier pour but de combiner, dans un dispositif de commande pour thyristor, un étage de commande du type précédemment rappelé avec un circuit de protection contre l'échauffement dudit thyristor. Selon 11 invention, le dispositif de commande pour thyristor du type décrit comporte un dispositif de protection contre l'échauffement, à résistance variable en fonction de la température, associé au thyristor pour produire un signal électrique représentatif d'un échauffement excessif de celui-ci, le signal d'échauffement étant applicable à l'étage de commande pour inhiber la transmission du signal de commande à la gâchette du thyristor. De préférence, les impulsions de validation sont délivrées au circuit logique bistable via un élément de retard préréglable afin de permettre de préajuster le dispositif en fonction de la nature plus ou moins inductive des charges connectées au circuit de puissance. Le retard préréglable permet de supprimer le régime transitoire du courant à la fermeture du circuit de puissance. On alimentera par exemple avec un retard nul un circuit capacitif à tension nulle à la mise sous tension, et avec un retard e tel que O = un circuit inductif à facteur de puissance cos f. Dans un mode de réalisation avantageux, le circuit logique bistable comprend deux bascules D interconnectées ; la première bascule D reçoit en entrée le signal de commande ou une impulsion dérivée de ce signal et délivre en sortie un signal applicable via un organe interrupteur et/ou amplificateur à la gâchette du thyristor, tandis que la deuxième bascule reçoit les impulsions de validation sur son entrée d'horloge, les deux bascules recevant le signal d'échauffement-complémenté à leur entrée de forçage. Ce mode de réalisation est intéressant par sa simplicité, notamment par le faible nombre de bottiers qu'il nécessite. L'invention a également pour objet un interrupteur statique unipolaire ou multipolaire comprenant pour chaque pôle un couple de thyristors antiparallèles, chaque thyristor étant doté du dispositif de commande et de protection décrit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description faite ci-après d'un mode de réalisation non-limitatif, en regard des dessins annexés. La figure 1 est un schéma synoptique du dispositif de commande et de protection conforme à l'invention La figure 2 montre une première variante de réalisa tion du circuit logique bistable du dispositif ; La figure 3 montre une deuxième variante de réalisa tion du circuit logique bistable t La figure 4 est un schéma plus détaillé du dispositif de la figure 1 équipé du bistable de la figure 3. Le dispositif de commande et de protection 1 illustré sur la figure 1 est associé à un thyristor TH dont les électrodes d'anode A et de cathode K peuvent être reliées à un circuit de tension alternative et à une charge non représentée et dont l'électrode de gâchette G est susceptible de recevoir en réponse à -un signal de commande El un signal de gâchette S. Le dispositif présente un étage de commande 2 qui comporte un circuit logique bistable 21. Le circuit logique bistable 21 reçoit, d'une part, une impulsion de commande el indicative du front montant du signal de commande El, d'autre part, des impulsions de validation E2 qui dépendent du passage au zéro de la tension aux bornes A, K du thyristor TH t il reçoit de plus, selon l'invention, un signal d'échauffement du thyristor E3 pour inhiber la transmission du signal de commande El à la gâchette du thyristor lorsqu'il est constaté un échauffement excessif de celui-ci. Une alimentation est reliée au circuit de tension alternative afin de générer une tension continue V+ pour alimenter les divers boîtiers ou circuits du dispositif 1. La sortie Q du circuit logique bistable 21 est appliquée à un organe interrupteur et/ou amplificateur I qui délivre à la gâchette G du thyristor le signal de gâchette S fonction de Q. Un dispositif 3 de protection contre l'échauffement est associé au thyristor pour produire le signal d'échauffement E3 ; le dispositif 3 comporte à cet effet un capteur 31 à résistance électrique variable en fonction de la température, ce capteur étant directement associé au thyristor pour délivrer un signal électrique représentatif de la température de celui-ci ; il comporte également un organe 32 à seuil prédéterminé ec, par exemple un comparateur, relié au capteur 31 et délivrant le signal d'échauffement E3 au dépassement dudit seuil ec par le signal issu du capteur. Le capteur est, de préférence, une jonction semi-conductrice intégrée ou rapportée sur un substrat commun au thyristor TH ; il peut être constitué par un transistor ou un thermocouple disposé à proximité immédiate du thyristor. I1 est prévu pour produire les impulsions de validation E2 un circuit 4 de validation présentant un détecteur de tension 41 dont la sortie est reliée à un générateur 42 d'impulsions synchrones au passage à zéro de la tension, la sortie du générateur d'impulsions 42 étant à son tour reliée au circuit logique bistable 21 via un élément de retard préréglable 43 qui délivre les signaux ou impulsions de validation E2. L'élément de retard 43 permet d'ajuster de manière simple les fenêtres cycliques d'allumage du dispositif selon le caractère plus ou moins inductif des charges qu'il est destiné à commander et protéger. Dans la variante illustrée par la figure 2, le circuit logique bistable 21 présente, d'une part, une porte logique ET 22 recevant sur ses entrées les signaux de commande El et de validation E2, d'autre part, un dispositif bistable 23 auquel sont applicables le signal de sortie de la porte ET 22 et le signal d'échauffement E3. Dans la variante illustrée par la figure 3, le circuit logique bistable 21 comprend deu bascules D 24, 25 inter- connectées. La première bascule D 24 reçoit une impulsion de commande el sur son entrée de signal D1 et délivre à sa sortie Q1 un signal appliqué à l'organe interrupteur et/ou amplificateur I g le signal Q1 dépend de l'état de la sortie Q2 de la bascule D 25 qui est reliée a l'entrée d'horloge H1 de la bascule D 24 Ce dernière reçoit les impulsions de validation E2 sur son entrée d'horloge H2, tandis que son entrée de signal D2 est reliée à la sortie complémentée Q1 de la bascule 24. De plus, les deux bascules 24, 25 reçoivent via un inverseur logique le signal d'échauffement complémenté E3 à leurs entrées respectives de désarmement RESET 1, RESET 2. Le signal E3 est délivré par une porte NAND 26 à trois entrées, combinant respectivement le signal d'échauffement E3, un signal de remise à zéro automatique RAZ et un signal OFF traduisant la disparition ou le retour au niveau bas du signal d'entrée El. La porte NAND 26 vise à mettre au niveau logique zéro la sortie du circuit logique bistable 21, soit en réponse à un échauffement excessif du thyristor, soit en réponse à l'absence de tension d'alimentation, soit en réponse a' l'arrêt du signal de commande E De manière plus détaillée, le dispositif de la figure 3 peut etre réalisé avantageusement comme 17 indique la figure 4. L'impulsion de commande el est élaborée à partir du signal de commande reçu par un optocoupleur à partir dsune sortie d'automate, d'un capteur ou d'une liaison à fibre optique. Le signal El fourni par le phototransistor 50 de l'optocoupleur est traité successivement par un différenciateur 51, puis par un organe de mise en forme 52, pour produire 11 impulsion el appliquée à l'entrée D1 de la bascule D 24. Le circuit 4 de validation comprend à titre de détecteur de tension 41 une paire de diodes antiparallèles 47, 48 aux bornes desquelles la tension est prélevée pour être appliquée à l'entrée inverseuse d'un comparateur 42 qui génère des créneaux synchrones au zéro de tension réseau ; la sortie du comparateur 42 est couplée à l'élément de retard préréglable 43 constitué par deux monostables cascadés 44, 45 à l'un desquels est associée une résistance 46 d'ajustement de retard. Le signal de remise à zéro RAZ est produit par un circuit RC 27 alimenté par la tension V+ de l'alimentation A. La transmission du signal OFF est produite par simple connexion de 11 émetteur du phototransistor 50 à l'entrée correspondante de la porte NAND 26. L'organe interrupteur et/ou amplificateur I du signal de gâchette est représenté sous forme de montage "Darlington" il peut bien entendu être constitué par toute structure bipolaire et/ou à grille isolée appropriée à la commande du thyristor. Le dispositif représenté fonctionne de la manière suivante. Lorsque le dispositif est mis sous tension, la tension alternative du circuit de puissance est appliquée, d'une part, aux bornes A, K du thyristor, d'autre part, à l'alimentation qui délivre la tension redressée et abaissée V+ . I1 en résulte que le circuit 27 met à zéro le signal RAZ, la sortie E3 de la porte NAND 26 passant à un. Les bascules 24, 25 sont ainsi remises à zéro (état d'initialisation). Si le signal d'entrée E'l est à son niveau logique zéro, l'entrée D1 de la bascule 24 étant à zéro, la sortie Q1 est à zéro et la sortie complémentaire rI est à un, de même que l'entrée D2 de la bascule 25 interconnectée à QI. La sortie H2 de la bascule reçoit les impulsions cycliques retardées par rapport au zéro de tension en fonction du préréglage de l'élément de retard 43, tandis que Q2 envoie sur H1 les impulsions de validation correspondantes. Dès que le signal d'entrée E'1 passe au niveau logique un et en l'absence de détection d'une température excessive du thyristor, le phototransistor 50 conduit, ce qui entraîne, d'une part, le passage à un du signal OFF transmis à la porte NAND 26 et, d'autre part, la création d'une impulsion positive par le différenciateur 51 , cette impulsion est mise en forme par le circuit 52 qui permet en outre de supprimer toute impulsion négative. La sortie Q1 du circuit de mise en forme 52 passe à un, de sorte que la sortie Q1 de la bascule 24 passe à un dès le premier front montant appliqué sur l'entrée H1 pour traduire le créneau souhaité de validation en fonction de la tension du circuit de puissance. UI passe à zéro et met au repos la bascule 25 via D2. De la sorte, le signal Q1 appliqué au montage Darlington I passe au niveau logique stable un t'le signal S est ainsi appliqué à la gâchette G du thyristor TH qui devient passant. Le thyristor conduit tant que le signal El reste au niveau logique haut. Lorsqu'une température excessive du thyristor est décelée par le capteur de température 31, la sortie E3 du comparateur 32 passe à zéro. La sortie E3 de la porte 26 passe à un et force les deux bascules 24, 25, si bien que la sortie Q1 du circuit bistable est forcée à zéro. Les signaux Q1 et S passent à zéro et le thyristor devient bloqué dès le premier passage à zéro du courant alternatif à ses bornes. Le dispositif ne peut être réenclenché, après retour de la température du thyristor au-dessous du seuil de déclenchement, que par la génération d'une nouvelle impulsion el. Celle-ci est subordonnée à une action volontaire se traduisant par le retour du signal d'entrée à son niveau logique zéro, puis à sa remise à un. I1 en résulte une meilleure sécurité contre la réalimentation intempestive de la charge et contre une sollicitation excessive du thyristor. En l'absence d'échauffement du thyristor, l'interruption du signal de commande El provoque le passage à un de la sortie de la porte NAND 26, le forçage des deux bascules 24, 25 et le passage à zéro de la sortie Q1 du circuit bistable. L'invention concerne aussi un interrupteur unipolaire ou multipolaire comprenant pour chaque pôle un couple de thyristors en montage antiparallèle, chaque thyristor étant doté du dispositif décrit de commande et de protection. Il va de soi qu'on peut utiliser au lieu d'optocoupleurs pour assurer la commande isolée un transformateur avec un seul enroulement primaire et deux enroulements secondaires pour chaque couple de thyristors. La modification du dispositif en vue de le faire fonctionner avec des signaux El, E2, E3, Q ou S complémentés est à la portée de l'homme de l'art, notamment dans le cas où l'on souhaiterait l'associer à un thyristor normalement conducteur au lieu d'un thyristor normalement bloqué. Revendications 1. Dispositif de commande et de protection contre l'échauffement pour un thyristor susceptible d'être disposé dans un circuit de puissance11 comprenant un étage de commande (2) relié à la gâchette du thyristor (TH) pour appliquer à celle-ci un signal de gâchette (S) en réponse à un signal de commande (El), l'étage de commande présentant un circuit logique bistable (21) qui reçoit le signal de commande (E1) et des impulsions de validation (E2) dépendant du passage au @éro de la tension aux bornes de puissance du th@rist@@ de sorte que l'étage de commande délivre le @@@@l de g@chette (2) dans un créneau temporel de valida @i@@ @édé@erminé, @@@@@térisé par un dispositif de protection contre l'échauf @@@@@ @@@@@@é @@ thyristor (TH) pour produire un signal @@@@@@@@@@ (@@) @ep@ésentatif d'un échauffement excessif du @@@@@ @@@@@@@@ sig@al (E3) étant applicable à l'étage de @@@@@@@@ (@@@ pour @@hiber la transmission du signal de @@@@@@@@ (E1) à la @@@@ette du thyristor. @@@@@@@@@@@@@@iti@ selon la revendication 1, @@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@ qu'il comprend un circuit de valida @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ détecteur de tension (41) relié à un @@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@s (@@) synchrones au passage à zéro de @@@@ @@@@@@@@ @@ @@@@ie du générateur d'impulsions étant @@@@@@ @@@@@@@ @@@ique bistable (21) via un élément de @@@ @@ @@@rég@@ol@ (@@) délivrant les impulsions de valida @@@@ (@@ @. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le dispositif de protection co@tre @chauffement (3) comporte un capteur (31) de température associé au thyristor et un organe (32) à seuil prédéterminé @elié au capteur et délivrant le signal d'échauffement (E3) au dépassement dudit seuil par un signal issu du capteur. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le circuit logique bistable (21) comprend une porte logique (22) pour combiner le signal de commande (El) et les impulsions de validation (E2) et un dispositif bistable (23) auquel sont applicables le signal de sortie de la porte logique et le signal d'échauffement (E3). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le cir@uit logique bistable (21) comprend deux bascules D (24. 28) interconnectées, la première bascule D (24) recevant @@@ son entrée de signal (D1) une impulsion de commande (e@) qui traduit le front montant du signal de commande (E1) et délivrant à sa sortie (Q1) un signal applicable à @@@@ne interrupteur et/ou amplificateur (I) pour détermi@@ @@in@ection du signal de gâchette (S), tandis que la @@@@@@@@ @@@@ule D (25) reçoit les impulsions de validation (E2) @@@ son entrée d'horloge (H2), les deux bascules @@@@ @@ @ @@gual @@échauffement (E3) complémenté à leur entrée @@ @@@@@@@ (RESET). 6. Dispositif selon l@ @@@@@@@@@@tion 5, caractérisé par le fait qu@ l@ @@@@@ d'éch@@ffement complé menté (E3) est appliqué @ @@@@ @@@ de @@@@@ge (RESET) du circuit logique bistable @@ @@@ @@@ p@@te NAND (26), celle-ci étant à cet effet @@@@@@ @@@ ent@ée à l'organe à seuil (32) et présenta@t @@@@ @@tres en @ées recevant respectivement un signal @@ @@@@@@@@@@ @@t@matique (RAZ) et un signal d'arrêt sensibl@ à @@ di@p@rition du signal de commande (El) 7. Dispositif selon l'une @@@ @evendications 2 à 6, caractérisé par le fait que l'@@@@@@@ de @@tard préréglable (43) est constitué par deux @@@ @@es monostables cascadées. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le signal de commande (E1) est appliqué à un circuit différenciateur (51) et à un circuit de mise en forme (52) délivrant une impulsion de commande (el) à l'entrée de signal du circuit logique bistable (21) en réponse au changement d'état de (El). 9. Interrupteur statique comprenant au moins un pôle et muni pour chaque pôle d'un couple de thyristors antiparallèles, caractérisé par le fait qu'il est prévu pour chaque thyristor un dispositif de commande et de protection selon l'une des revendications 1 à 8.