Brevet FR2592748A1 — publié le 19870710

"Circuit de soufflage perfectionné pour la coupure de grande puissance par un interrupteur statique commandé" L'invention se rapporte à un circuit de soufflage, destiné à réduire les pertes en coupure d'un interrupteur statique commandé tel que thyristor à gâchette bloquante dit ci-après thyristor principal, monté pour commander le courant issu d'une source et traversant une charge à impédance complexe, notamment enroulement de moteur, circuit comportant, outre une diode montée tête-bêche avec le thyristor principal, une dérivation entre anode et cathode du thyristor principal,constituée d'une association en série d'une inductance, une capacité et un thyristor auxiliaire commandé en décharge par un signal précurseur d'un signal de blocage appliqué à la gâchette du thyristor principal. Les thyristors à gâchette bloquante comme les transistors sont susceptibles d'être éteints, par application d'un signal approprié sur la gâchette, et de supporter une remontée de tension anodique immédiatement après l'interruption du courant principal, tandis que les thyristors classiques ne peuvent être éteints que si la totalité du courant qui les traverse est dérivée, et que si une tension anodique n'est rétablie qu'après un temps de recouvrement correspondant à la recombinaison spontanée des porteurs minoritaires. Toutefois les thyristors à gâchette bloquante, dits souvent G.T.O. sont sièges de pertes au cours du processus d'extinction, au cours duquel la chute de potentiel aux jonctions n'est pas négligeable, l'intensité de courant restant sensiblement constante tandis que la section de passage est progressivement étranglée. Pratiquement, pour un composant déterminé, l'énergie dégradée lors d'une coupure est sensiblement constante. Pour un composant de 25 mm de la classe 1.200 V, les pertes sont de l'ordre de 100 mJ. On conçoit donc que la commande de courant à fréquence élevée provoque des dissipations excessives. Le composant 2.500 V susceptible de dissiper 1 Kw, se trouverait ainsi limité à 1.000 Hz, sans tenir compte des pertes à l'amorçage et en régime de conduction. On a associé à des thyristors à gâchette bloquante des circuits calmeurs, composés d'une diode shuntée par une résistance de valeur relativement élevée, et une capacité avec une armature à la cathode du thyristor et l'autre armature reliée à la cathode de la diode, dont l'anode est reliée à l'anode du thyristor. Ces circuits calmeurs améliorent quelque peu le comportement en coupure des thyristors à gâchette bloquante, la charge de la capacité à travers la diode soulageant le thyristor pendant le processus de blocage. Toutefois pendant la conduction la capacité se décharge à travers la résistance qui shunte la diode, avec une constante de temps qui limite à son tour les performances en fréquence. Ce processus est aussi à l'origine de pertes importantes. On connait, pour les thyristors classiques, des circuits de soufflage actifs en dérivation, entre l'anode et la cathode du thyristor principal et constitués par l'association en série d'une inductance, une capacité et un thyristor auxiliaire. Une diode est montée tête-bêche avec le thyristor principal. L'amorçage du thyristor auxiliaire provoque une décharge de la capacité qui dérive le courant qui passe dans le thyristor principal qui s'éteint. Par la suite, l'oscillation du circuit constitué par l'inductance et la capacité équipé d'un thyristor de retournement, recharge la capacité à une tension qui est l'opposé de la tension anode cathode du thyristor principal. t On peut appliquer ce montage à un thyristor à gâchette bloquante. On pourrait craindre que l'interruption de courant ne constitue un temps mort supplémentaire.En fait dans cette période le thyristor à gâchette bloquante est désamorcé par sa gâchette sans être soumis à un fort champ électrique accélérateur des porteurs minoritaires, de sorte que le désamorçage se produit sans pertes localisées et sans striction de la zone de passage du courant. Toutefois la constante de temps déterminée par l'inductance et la capacité du circuit de soufflage vient retarder le transfert de courant du thyristor principal à gâchette bloquante au thyristor. auxiliaire, et la réduction de l'inductance conduit à une augmentation du courant de décharge de la capacité, de sorte que l'on est limité par les pertes du circuit de soufflage. Pour pallier cet inconvénient l'invention propose un circuit de soufflage, destiné à réduire les pertes en coupure d'un interrupteur statique commandé tel que thyristor à gâchette bloquante, qui sera dit ci-après thyristor principal, monté pour commander le courant issu d'une source et traversant une charge à impédance complexe, notamment enroulement de moteur, circuit comportant, outre une diode montée tête-bêche avec le thyristor principal, une dérivation entre anode et cathode de ce thyristor, constituée d'une association série d'une inductance, une capacité et un thyristor auxiliaire commandé en amorçage par un signal précurseur d'un signal de blocage appliqué à la gâchette du thyristor principal, caractérisé en ce que l'inductance est montée en série dans l'anode du thyristor principal pour le courant traversant la charge et comporte un noyau magnétique porté à saturation par le courant qui traverse le thyristor principal. L'inductance, saturée par le courant qui traverse le thyristor principal, ne présente qu'une impédance faible au transfert de courant du thyristor principal au thyristor auxiliaire, tandis que, après le transfert, l'inductance se désature pour laisser se recharger la capacité. D'autres caractéristiques des avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma général du montage d'un thyristor à gâchette bloquante avec un circuit de soufflage selon l'invention la figure 2 représente un aménagement du circuit précédent avec un écrêteur de tension la figure 3 représente des développements de l'invention. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, une source de tension continue 1, de quelques milliers de volts et susceptible de délivrer quelques centaines d'ampères, et munie d'un condensateur de filtrage 2, alimente un enroulement de moteur 3 à travers un dispositif à thyristor 10, principal, de type à gâchette bloquante, et compatible avec les tensions et intensités en jeu. Le moteur, pour la source 1 et le dispositif à thyristor à gâchette bloquante 10, présente une impédance symbolisée par une inductance 3k et une résistance 3â. Une diode 4, dite de roue libre, est disposée aux bornes du moteur 3, bloquante du pôle positif de la source vers le thyristor à gâchette bloquante 10. Le thyristor à gâchette bloquante principal 10 est disposé en série avec le moteur 3, avec sa cathode reliée au pôle négatif de la source 1. Une diode 11 est disposée tête-bêche avec le thyristor principal 10, afin d'empêcher le potentiel d'anode du thyristor principal 10 de s'abaisser en dessous du niveau du pôle négatif de la source. Entre l'anode du thyristor 10 et le moteur 3 est disposée une inductance 12 constituée de spires enroulées sur un noyau fermé en matériau ferromagnétique (ferrite). Entre le pôle négatif et le point de jonction 15 de l'inductance 12 et du moteur 3 sont disposés en série une capacité 13 et un thyristor auxiliaire 14 ; ce thyristor 14 peut être à gâchette bloquante. On n'a pas représenté les circuits d'alimentation des gâchettes des thyristors 10 et 14, qui n'interviennent pas en soi dans l'invention. il suffit de rappeler que les circuits d'alimentation de gâchette, et notamment le circuit d'alimentation de la gâchette du thyristor 10 à gâchette bloquante (thyristor principal) doit être capable de fournir à la gâchette l'énergie nécessaire à l'extinction du thyristor. En outre le signal d'amorçage du thyristor auxiliaire 14 et le signal d'extinction du thyristor principal 10 doivent être coordonnés, le signal d'amorçage étant précurseur du signal d'extinction, pour que le fonctionnement du soufflage, qui va être décrit maintenant, soit satisfaisant. On considère, comme point de départ du fonctionnement du soufflage, l'instant qui précède le signal d'amorçage du thyristor auxiliaire 14. Le thyristor principal 10 est amorcé, et la source 1 débite dans la charge 3 un courant qui traverse le thyristor 10. L'inductance 12, traversée par ce courant est saturée, et sa valeur est sensiblement celle de son inductance de fuite. Le thyristor 14 est bloqué. La capacité 13 est chargée à la tension de source 1, avec l'armature en liaison avec l'anode du thyristor 14 positive, et l'armature en liaison avec la jonction 15 entre la charge 3 et l'inductance 12 au potentiel du pôle négatif de la source 1, à la chute de potentiel dans le thyristor principal et l'inductance 12 près. On précisera plus loin le mécanisme qui permet de charger la capacité dans ce sens après l'extinction du thyristor principal 10. Le signal d'amorçage qui attaque la gâchette du thyristor auxiliaire 14 provoque l'allumage de ce thyristor avec les conséquences suivantes Le courant qui traverse la charge 3 est transféré à la branche qui comprend la capacité 13 et le thyristor 14, avec un retard sur l'amorçage très court, correspondant à la constante de temps de l'inductance 12 à l'état de saturation en combinaison avec la capacité 13 ; l'amorçage du thyristor 14 amène l'armature liée à l'anode au potentiel du pôle négatif de la source 1, et l'autre armature se trouve portée à un potentiel négatif, sensiblement égal à la tension de source, par rapport au pôle négatif de cette source. L'anode du thyristor principal 10, resté conducteur, est toujours au potentiel du pôle négatif. Sous l'effet du courant dans la charge, la capacité 13 se décharge, puis se charge à la tension de source, en sens inverse de son état antérieur. Le potentiel du point de jonction 15 entre la charge 3 et l'inductance 12 remonte donc, de façon sensiblement linéaire, par rapport au pôle négatif de la source 1, depuis une valeur négative égale à la tension de source en valeur absolue jusqu'à une valeur positive égale à cette tension de source. A partir du moment où le potentiel de ce point de jonction 15 devient plus négatif que celui du pôle négatif de source le courant qui traverse le thyristor principal 10 s'annule, tandis que l'inductance 12 se désature, puisque la tension à ses bornes s'inverse. L'anode du thyristor 10 est découplée, par l'inductance 12 désaturée, du point de jonction 15.La durée de cette phase est proportionnelle à la tension de source, à la valeur de la capacité 13 et à l'inverse du courant dans la charge. Le signal d'extinction du thyristor principal 10, à gâchette bloquante, est appliqué à cette gâchette au moment où le courant cesse dans ce thyristor ; ce signal a pour effet de vider la jonction de contrôle, et la recombinaison des porteurs minoritaires restants s'effectue dans la couche NB du thyristor. Le thyristor 10 est donc ainsi bloqué très rapidement sans contraintes thermiques localisées, et est dès lors en état de supporter la remontée de tension qui s'effectue à partir du moment où le potentiel du point de jonction 15 redevient positif par rapport au pôle négatif de source. On notera toutefois que, lorsque la tension de source 1 est faible, le soufflage est moins efficace, mais alors le thyristor à gâchette bloquante 10 fonctionne classiquement en s'éteignant par action sur sa gâchette, les pertes à l'extinction étant faibles.Le passage du régime d'extinction classique à l'extinction par soufflage 10 se fait progressivement avec l'augmentation de la tension de source 1. Par contre pour des courants dans la charge 3 très petits, on pourrait craindre que la durée de recharge de la capacité 13 soit excessive. il n'en est rien car cette durée est limitée par l'arrivée à saturation de l'inductance 12, qui permet alors que la charge de la capacité 13 s'écoule à travers la diode 11 montée en inverse, dans une décharge oscillante de courte durée. Mais le fonctionnement du circuit de soufflage précédent est insuffisant dans les premiers instants du processus d'extinction. On y remédie en disposant un circuit calmeur classique, formé d'une diode 39, un condensateur 38 et une résistance de décharge 50 entre anode et cathode du thyristor 10. Pour éviter aux courants très élevés des surtensions sur le thyristor 10, on monte en parallèle sur le thyristor 10 un circuit écrêteur représenté à la figure 2. Ce circuit comporte une diode écrêteuse 20 montée passante depuis l'anode du thyristor 10 vers un condensateur 21. Les surtensions à l'anode du thyristor 10 sont écrêtées par la diode 20 en chargeant le condensateur 21. L'excès de charge acquise par le condensateur 21 est écoulee vers le pôle positif de la source 1, å travers le montage de récupération constitué par le thyristor 23 et l'inductance 22. On notera que l'écrêtage se produit lorsque l'inductance 12 est désaturée, de sorte que les surtensions à la jonction 15 sont efficacement arrêtées par l'inductance 12, en série avec l'écrêteur 20, 21. On a admis jusqu'ici que l'inductance 12 ne se resature pas en inverse lors de la remontée de la tension à la jonction 15 entre le potentiel du pôle négatif de la source et celui du pôle positif. La saturation inverse de l'inductance 12 peut se produire avant que le thyristor 10 soit en état de supporter un rétablissement brutal de la tension anodique. On retarde la saturation inversée de l'inductance 12 par le montage représenté à la figure 3. L'inductance 12 comporte, bobiné sur son noyau magnétique, un enroulement secondaire 12a, aux bornes duquel on a branché en série une résistance de faible valeur 30, et une diode 31, passante dans un sens correspondant au passage du courant dans le primaire en sens inverse du courant normal quand le thyristor principal 10 est allumé. Ainsi, lorsque la tension de la jonction 15 dans sa croissance, devient positive par rapport au pôle négatif de la source 1, un courant secondaire traverse la diode 31 et la résistance 30, et s'oppose à la saturation du noyau magnétique. On avait précisé, en décrivant le fonctionnement du soufflage en référence à la figure 1, qu'avant l'amorçage du thyristor auxiliaire 14 la capacité 13 était chargée avec son armature liée à l'anode du thyristor 14 au potentiel du pôle positif de la source 1, et l'autre armature, reliée à la jonction 15, au potentiel du pôle négatif. Or, en fin de soufflage la capacité 13 est chargée à la tension de la source 1 avec son armature liée à l'anode du thyristor 14 au potentiel du pôle négatif en raison de l'amorçage de ce thyristor 14, et l'armature liée à la jonction 15 portée au potentiel du pôle positif suite à l'extinction du thyristor principal 10. il est donc nécessaire d'inverser le sens de charge de la capacité 13. Classiquement on effectue l'inversion de sens de charge de la capacité de soufflage à l'amorçage du thyristor principal, en montant une inductance et une diode série parallèle sur le thyristor 14, la diode étant passante du pôle négatif de la source vers l'inductance. L'amorçage du thyristor principal 10 amène l'armature de la capacité 13 liée à l'anode du thyristor 14 à un potentiel négatif par rapport au pôle négatif de la source 1, d'une valeur égale à la tension de source 1. Le circuit oscillant formé par l'inductance et la capacité 13 réagit à la baisse brutale de tension par une demi-oscillation, la diode laissant passer le courant qui va charger la capacité 13 dans le sens voulu, puis s'opposer à la décharge de cette capacité. On conçoit que ce retournement de charge de la capacité 13, opéré en une demi-période du circuit oscillant, interdit le soufflage pendant ce temps suivant l'amorçage du thyristor principal.Aussi préférera-t-on déclencher plus tôt le retournement de charge de la capacité 15 à l'aide du montage représenté à droite de la figure 3, qui comporte une inductance 35 connectée à la jonction 15 d'un côté, et à l'anode d'un thyristor 36, dont la cathode est reliée à l'armature de la capacité 13 connectée à l'anode du thyristor auxiliaire 14. Une résistance de forte valeur 37 est montée en parallèle sur ce thyristor 14, pour permettre la charge initiale de la capacité 13 ; cette résistance n'intervient pas dans le fonctionnement du circuit de récupération, qui retourne la charge de la capacité 13. Le thyristor 36 est amorcé après que le dispositif de soufflage du thyristor principal 10 est revenu à un état stable, avec le thyristor 14 éteint. A l'amorçage du thyristor 36, la charge de la capacité 13 se trouve appliquée à l'inductance 35, qui résonne avec la capacité 13 pour une demi-période, ce qui inverse le sens de charge de la capacité 13, après quoi le thyristor 36 s'éteint, et la capacité 13 est prête pour un nouveau soufflage. On notera que la résistance 37 ne peut décharger la capacité 13 que lorsque le thyristor principal 10 est allumé ; c'est-à-dire que la décharge de cette capacité 13 par la résistance 37 n'intervient que pendant un temps fini, court devant la constante de temps de décharge. La description qui précède n'a pas défini des valeurs pratiques des différents composants des circuits. Mais ces valeurs dépendent essentiellement des caractéristiques de la charge et du thyristor principal, et un homme du métier n'aura pas de peine à calculer les valeurs des différents composants, en tenant compte de leurs finalités et des caractéristiques des circuits principaux. REVENDICATIONS 1. Circuit de soufflage, destiné à réduire les pertes en coupure d'un interrupteur statique commandé tel que thyristor (10) à gâchette bloquante, qui sera dit ci-après thyristor principal, monté pour commander le courant issu d'une source (1) et traversant une charge (3) à impédance complexe, notamment enroulement de moteur, circuit comportant, outre une diode (11) montée tête-bêche avec le thyristor principal (10), une dérivation entre anode et cathode de ce thyristor, constituée d'une association série d'une inductance (12), une capacité (13) et un thyristor auxiliaire (14) commandé en amorçage par un signal précurseur d'un signal de blocage appliqué à la gâchette du thyristor principal, caractérisé en ce que l'inductance (12) est montée en série dans l'anode du thyristor principal (10) pour le courant traversant la charge (3) et comporte un noyau magnétique porté à saturation par le courant qui traverse le thyristor principal (10). 2. Circuit de soufflage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit écrêteur constitué d'une diode (20) passante de l'anode du thyristor principal (10) à une première armature d'un condensateur (21) dont la seconde armature est connectée à la cathode du thyristor principal (10), et un moyen d'écoulement (22, 23) de la charge du condensateur (21). 3. Circuit de soufflage selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen d'écoulement de la charge du condensateur (21) d'écrêteur est constituéld'une inductance (22) de récupération connectée par une première extrémité au pôle positif de la source (1), et d'un thyristor (23) connecté passant de la première armature du condensateur (21) à la seconde extrémité de l'inductance (22) de récupération. 4. Circuit de soufflage selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'inductance (12) à noyau saturable en série avec le thyristor principal (10) comporte un enroulement secondaire (12a) aux bornes duquel sont montées en série une résistance limiteuse (30) et une diode (31) passante pour des tensions aux bornes de l'inductance positives par rapport à l'anode du thyristor principal. 5. Circuit de soufflage selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la capacité (13) en série avec le thyristor auxiliaire (14) est équipée d'un circuit de récupération (35, 36), tandis que le thyristor auxiliaire (14), est shunté par une résistance (37) de forte valeur. 6. Circuit de soufflage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de récupération, monté en parallèle avec la capacité (13), comporte une inductance (35) en série avec un thyristor (36) dont la cathode est reliée à l'anode du thyristor auxiliaire (14).