Brevet FR2632136A1 — publié le 19891201

COMMUTATEUR HAUTE TENSION A SEMI-CONDUCTEURS CABLES EN SERIE DESCRIPTION L'invention concerne les commutateurs haute tension utilisant des semiconducteurs connectés en série et pouvant être utilisés dans de nombreuses utilisations, en particulier en tant que générateurs d'impulsions transistorés à haute tension. Dans les dispositifs commutateurs connus, utilisant des chaînes de semiconducteurs, connectées en série, on dispose généralement les semiconducteurs en chaînes linéaires. L'attaque de chacun des étages de cette chaÂne, constitué d'un semi-conducteur, s'effectue par l'intermédiaire d'un transformateur torique, dont le circuit primaire, qui est généralement monospire, est commun à tous les transformateurs. Cette disposition en lignes présente de nombreux inconvénients qui sont les suivants. Du point de vue du fonctionnement, on constate que les fronts des impulsions de commande des transistors sont trop lents, et que l'intensité est limitée en raison de l'inductance trop élevée du circuit primaire des transformateurs. Du point de vue pratique, cette disposition en ligne est peu compacte, et le coût de fabrication des transformateurs est élevé. Le but de l'invention, est de remédier à ces inconvénients. A cet effet, l'objet principal de l'invention est un commutateur haute tension à semi-conducteurs c blés en série, comprenant: - un nombre N de semi-conducteurs, câblés en série par les deux électrodes sur lesquelles on prend le signal de sortie, et constituant un interrupteur placé entre deux bornes de sorties, 2 2 6321036 - un même nombre N de transformateurs toriques, chaque transformateur possédant un circuit brut primaire, un noyau et un circuit secondaire, le noyau et le circuit primaire étant communs à tous les transformateurs, le circuit primaire faisant office de circuit de commande, te circuit secondaire étant connecté aux bornes de l'électrode de commande et d'une des électrodes aux bornes desquelles on prend le signal de sortie du semiconducteur correspondant, et - un même nombre N d'éléments d'équilibrage placés chacun aux bornes des électrodes aux bornes desquelles on prend le signal de sortie du semi- conducteur. Une caractéristique principale de l'invention est que les semi-conducteurs sont disposés suivant un cercle entourant le noyau qui a la forme d'un anneau. Un des avantages principaux d'un tel commutateur est qu'il permet deréduire considérablement l'inductance de fuite. En effet, cette disposition permet d'obtenir une excellente symétrie des bobinages des circuits primaires et des circuits secondaires. Dans une réalisation préférentielle d'un tel commutateur, les bobirnages des circuits primaires et secondaires des transformateurs sont réalisés par une série de barreaux placés entre deux plaques de circuits imprimés, de façon à entourer le noyau, les plaques de circuits imprimés comportant des pistes de cuivre orientées en sens opposé d'une plaque à l'autre pour assurer la continuité des circuits primaires et secondaires qui s'intercalent l'un dans l'autre. Dans ce cas, les semi-conducteurs peuvent être directement câblés sur au moins l'un des deux circuits imprimés. Si les semi-conducteurs sont en bottier du type "prespack", ils sont serrés entre les deux plaques de circuits imprimés. Les éléments d'équilibrage sont implantés sur une partie des circuits imprimés. Selon une caractéristique de l'invention, le noyau du transformateur est réalisé au moyen d'une bande de matériau ferromagnétique amorphe. Pour améliorer le fonctionnement d'un tel commutateur, le nombre total des tours des spires des circuits primaires est multiple du nombre de semi- conducteurs. Une application de ce commutateur est prévue pour réaliser un générateur d'impulsions transistoré à haute tension. Le commutateur selon l'invention peut être facilement construit et son montage est simple, son coût s'en trouvant réduit. La disposition en cercle des semi-conducteurs augmente la grande compacité du commutateur. L'invention et ses caractéristiques techniques seront mieux comprises à ta lecture de la description suivante, annexée des figures représentant respectivement: - figure 1, un schéma fonctionnel d'un commutateur selon l'invention; - figure 2, une vue partielle et écorchée d'une première réalisation du commutateur selon l'invention; - figure 3, une vue partielle et écorchée d'une deuxième réalisation possible du commutateur selon l'invention; - figures 4A, 4B et 4C, trois schémas de réalisation possible des éléments d'équilibrage utilisés dans le commutateur selon l'invention. En référence à la figure 1, le commutateur à haute tension à semiconducteurs comprend des éLéments fonctionnels déjà utilisés dans les commutateurs selon l'art antérieur. Il comprend en particulier un nombre N de semi-conducteurs 2, câblés en série, un même nombre N de commutateurs 10 pour commander les semi- conducteurs 2, et un même nombre N d'éléments d'équilibrage 20 des semiconducteurs 2. Ces derniers sont connectés en série par les deux électrodes 4 et 6 sur lesquelles on prélève le signal de sortie. Chaque transformateur 10 comprend un circuit primaire 14, un noyau 16 et un circuit secondaire 18. Les semi-conducteurs 2 étant connectés en série, le noyau de chaque transformateur est constitué d'un noyau unique 16. De manière analogue, les circuits primaires 14 de chaque transformateur 10 sont constitués d'un unique circuit primaire 12, chaque circuit primaire 14 étant ainsi connecté l'un à l'autre. Les bornes de cet ensemble primaire 12 des'circuits primaires 14 ont été repérées C et D. Cet ensemble 12 de circuits primaires 14 constitue un circuit de commande pour la commutation de chacun des semi-conducteurs 2. Chaque circuit secondaire 18 est connecté, d'une part à l'électrode de commande 8, et d'autre part à une électrode 6 faisant partie des deux électrodes sur lesquelles on prélève le signal de sortie du semi-conducteur 2. Pour assurer la symétrie de chaque étage de semi-conducteur, tous les circuits primaires 14 de l'ensemble primaire 12 ont le même nombre P de tours ou de spires. L'ensemble comportant alors un nombre total de spires égal à N.P. On prévoit également que les circuits secondaires 18 aient tous le même nombre S de spires ou de tours. Pour assurer l'équilibrage des tensions entre tous les semi- conducteurs 2, on place aux bornes des électrodes 6 et 4 sur lesquelles on prélève le signal de sortie, un élément d'équilibrage 20. Un tel élément est opérationnel aussi bien pendant la phase d'ouverture que pendant celle de fermeture. Le circuit constitué par la connexion de tous Les semi-conducteurs 2 par l'intermédiaire de leurs électrodes 4 et 6 se termine par deux bornes repérées A et B. Pour que l'ensemble des circuits compris entre A et B soit passant, ou ouvert, il suffit qu'une impulsion de signe convenable soit appliquée entre les bornes C, D de l'ensemble 12 des circuits primaires 14. Les semi-conducteurs 2 reçoivent alors une impulsion sur l'électrode de commande 8 et deviennent passants. Sur cette figure 1, les semi-conducteurs 2 ont été représentés sous la forme de transistors. Cette représentation n'est nullement limitative, un montage identique pouvant être utilisé pour des thyristors, diodes... Dans le but d'obtenir une commutation rapide avec les semi-conducteurs à forte capacité d'entrée telle que les circuits MOS (métal oxyde silicium) par exemple, ou les circuits mettant en jeu de très fortes variations de courant (Di/Dt), il est nécessaire d'envoyer sur Les électrodes de commande, à savoir les bases, les gates ou autres gachettes, des impulsions dont le front de montée est très bref et débitant un courant de très forte densité. La réalisation représentée par la figure 2 permet cette commutation rapide. En effet, l'inductance de fuite du transformateur de commande utilisé dans le commutateur représenté est assez faible, car les géométries des bobinages primaire et secondaire sont identiques. Le commutateur ainsi représenté sur la figure 2 est réalisé à l'aide de deux plaques 22 et 24 constituant des supports pour des circuits imprimés réalisés sous la forme de pistes de cuivre. ELLes constituent, entre autres, les éléments d'équilibrage non visibles sur cette figure, les parties 30, 32 des bobinages des circuits primaires et secondaires et les 6 2632136 connexions 42, et 44 des semi-conducteurs 2 au bobinage des circuits secondaires. Ces derniers, ainsi que les bobinages des circuits primaires, sont complétés de barreaux 26 reliant les deux plaques 22 et 24 et connectés aux pistes de cuivre 30 et 32. Les plaques 22 et 24 étant des pistes circulaires, pour respecter la forme du commutateur défini en regard de la figure 1, on remarque que les pistes de cuivre 30 et 32 sont légèrement inclinées par rapport au rayon correspondant à la circonférence de ces deux plaques 22 et 24. Par contre, pour constituer des bobinages s'intercalant entre chaque spire, le sens d'inclinaison des pistes 30 et 32 sur la première plaque supérieure 22 est opposé au sens d'inclinaison de ces mêmes pistes sur la plaque inférieure 24. De la sorte, chaque spire du bobinage d'un circuit primaire côtoie deux spires du bobinage d'un circuit secondaire, les bobinages des circuits primaires et secondaires s'intercalant l'un dans l'autre. Dans cette réalisation, le noyau torique 16 est placé entre les deux plaques 22 et 24 et entre les deux séries de barreaux 26. En conséquence, il a une section rectangulaire épousant la forme délimitée par ces deux plaques 22 et 24 complétée des barreaux 26. Les semi-conducteurs sont câblés sur au moins une des deux plaques 22 et 24. Le noyau 16 des transformateurs du commutateur peut être réalisé au moyen d'une bande de matériau ferromagnétique amorphe. En référence à la figure 3, si les semi- conducteurs 46 sont réalisés sous la forme de bottiers du type "prespack", ils peuvent être placés entre les deux plaques 22 et 24. Leur connexion se fait de manière analogue à celle décrite sur la figure 2. L'avantage fondamental de cette disposition particulière, concerne notamment les barreaux 26, et 7 2 6 32632136 réside dans le fait qu'il est possible de placer de façon très précise ces barreaux sur des cercles concentriques au noyau. En effet, les circuits primaires et secondaires ainsi découpés en bobinages indépendants occupent exactement la même place et ont une géométrie symétrique. Cette disposition est par ailleurs très favorable à la répartition des capacités parasites, qui sont exactement les mêmes d'un étage de semi-conducteurs 46 à l'autre, du fait de la parfaite symétrie du circuit. Ceci est essentiel pour un bon équilibrage des tensions de chaque étage de semi- conducteur 46, pendant l'ouverture du circuit. On remarque en particulier en regard de la figure 3, la grande compacité d'un tel commutateur, et sa facilité de construction et de montage, et par conséquence, son faible coOt. Les réseaux d'équilibrage 20 peuvent être constitués de différentes manières. Une première réalisation, représentée par la figure 4A, consiste simplement à utiliser des résistances. En référence à la figure 4B, une deuxième réalisation utilise des diodes Zener ou des diodes connues sous les marques commerciales "Transil", "Transorb". Comme représenté sur la figure 4C, un circuit RC monté en série peut également être util-isé. Enfin, une association de ces différents circuits élémentaires peut également constituer ces éléments d'équilibrage. L'invention peut être utilisée dans tous les montages utilisant des thyratrons à gaz, des ignitrons, des éclateurs et autres tubes de commutation. Ces circuits peuvent être utilisés comme modulateurs de radars, générateurs d'impulsions pour alimenter des accélérateurs à induction, des lasers, des tubes de radiographie, des accélérateurs pour irradiation industrielle ou alimentaire, etc. Une utilisation particulière de l'invention est prévue pour réaliser des générateurs d'impulsions transistorés à haute tension. REVENDICATIONS 1. Commutateur haute tension à semi- conducteurs câblés en série, comprenant: - un même nombre N de semiconducteurs (2, 46), câblés en série par les deux électrodes (4, 6) sur lesquelles on preléve le signal de sortie, constituant un interrupteur placé entre deux bornes de sorties (A, B), - un même nombre N de transformateurs toriques (10), chaque transformateur (10) possédant un circuit primaire (14), un noyau (16) et un circuit secondaire (18), le noyau (16) et le circuit primaire (14) étant communs à tous les transformateurs (10), le circuit primaire (14) faisant office de circuit de commande, le circuit secondaire (18) étant connecté aux bornes de l'électrode de commande (8) et d'une des électrodes (6) aux bornes desquelles on prélève le signal de sortie du semi-conducteur (2, 46), et un même nombre N d'éléments d'équilibrage (20) placés chacun aux bornes des électrodes (4, 6) aux bornes desquelles on prelève le signal de sortie, le commutateur étant caractérisé en ce que les semi- conducteurs (2, 46) sont disposés suivant un cercle entourant le noyau (16) qui a une forme d'anneau. 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les circuits primaires (14) et secondaires (18) des transformateurs (10) ont des bobinages réalisés au moyen de barreaux (26) placés entre deux plaques (22, 24) de façon à entourer le noyau (16), lesdites plaque comportant des pistes de cuivre (30, 32) orientées en sens opposé d'une plaque à l'autre pour assurer la continuité des circuits primaire (14) et secondaire (18) qui s'intercalent l'un dans l'autre. 2632 136 1 0 3. Commutateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que Les semi-conducteurs (2, 46) sont directement cóblés sur au moins une des plaques (22, 24). 4. Commutateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les semi-conducteurs (46) sont des bottiers du type "Prespack" et sont serrés entre les deux plaques (22, 24). 5. Commutateur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les éléments d'équilibrage sont constitués d'une partie des circuits imprimés sur l'une des deux plaques (22). 6. Commutateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le noyau (16) des transformateurs (10) est réalisé au moyen d'une bande de matériau ferromagnétique amorphe. 7. Commutateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre (N.P) total des tours des spires des circuits primaires (14) est un multiple du nombre (N) de'semi- conducteurs (2, 46). 8. Commutateur selon l'une quelconque des revendications précédentes utilisé comme générateur d'impulsions transistoré à haute tension.