Brevet FR2670630A1 — publié le 19920619

i "Commutateur haute tension construit en cascade et commandé par l'intermédiaire de coupleurs optiques" L'invention concerne un commutateur haute tension qui est constitué par une ligne de commutation ou bien par plusieurs lignes de commutation du même type branchées l'une derrière l'autre En parallèle sur chacune de ces lignes de commutation, sont bran- chées des résistances d'équilibrage La commande de la ligne de commutation s'effectue par l'intermédiaire de coupleurs optiques. Dans l'électronique haute tension, les li- gnes de commutation de commutateurs haute tension, étaient précédemment constituées par des tubes élec- troniques, par exemple des thyratrons ou d'autres ty- pes de tubes A cet effet, des dispositifs coûteux, tels que le chauffage, et l'alimentation de grilles, étaient nécessaires et exigeaient constamment une dé- pense d'entretien Ils étaient, en outre, susceptibles tout simplement d'une forte usure. On devait s'accommoder de temps de commuta- tion, notamment de temps de coupures de longues du- rées, du fait de la géométrie du commutateur ou bien de la tension à contrôler. On obtient de meilleurs temps de commutation avec des éléments constitutifs à semi-conducteurs Ils peuvent être commandés d'une façon simple et sont pra- tiquement sans entretien Cependant, ils doivent être montés en cascade pour contrôler des tensions élevées, et, de ce fait, être commandés avec des niveaux de tension différents, parfaitement admissibles Cela peut s'effectuer au moyen d'une tension alternative par l'intermédiaire de transformateurs de séparation comme cela est décrit dans le document DE-PS 32 29 426 au sujet d'une ligne de commutation constituée de deux lignes de commutation branchées en cascade Dans le cas d'une commande par courant continu, des coupleurs optiques doivent être mis en oeuvre Ces coupleurs né- cessitent une tension de fonctionnement qui doit être mise en cascade selon le potentiel des lignes de com- mutation Cette tension de fonctionnement est suscep- tible d'être réglée par l'intermédiaire de transforma- teurs de séparation Mais il s'agit, en outre, de cou- plages capacitifs et inductifs entre les étages de cascade qui se traduisent par des perturbations, tel- les que des oscillations parasitaires et qui compli- quent énormément un tel système, et même le rendent dans certain cas, inutilisable. La SIEMENS AG prescrit une première solu- tion pour éviter de tels problèmes et développe, à cet effet, des excitateurs de transistors à effet de champs qui sont proposés sous la désignation BSA 21 et BSA 22 Ces éléments constitutifs sont cependant trop lents pour certaines applications En outre, ils ont seulement une tension de contrôle et d'isolation de 2 800 Volts, si bien que des cascades de lignes de commutation de seulement quelques centaines de volts sont possibles. Un commutateur haute tension qui est consti- tué d'éléments semi-conducteurs opto-électroniques montés en cascades, donc de lignes de commutation, est décrit dans le document DE-OS 37 31 412 Pour l'équi- librage de la tension, un élément d'équilibrage est alors placé en parallèle sur chaque ligne de commuta- tion La commande d'une ligne de commutation s'effec- tue par l'intermédiaire d'une photo-diode Les photo- diodes d'une cascade sont placées en série, si bien que lors d'une impulsion de courant, les lignes de commutation sont simultanément rendues conductrices par cette impulsion La combinaison aidante d'une pho- 1 O to-diode en tant qu'élément de commande et d'un photo- transistor bipolaire, permet un enclenchement rapide du transistor ainsi commandé, cependant que dans cet exemple de commutation publié, il y a une dépendance entre le courant des photo-diodes et le courant de commutation vers le photo-transistor Une coupure aus- si rapide du courant de commutation n'est pas obtenue avec ce branchement et n'est d'ailleurs pas nécessaire dans le cas d'application considéré. L'invention a pour but d'appliquer à une charge capacitive ou bien de séparer de cette charge, les potentiels de haute précision d'appareils bipolai- res haute tension, dont les valeurs doivent être éta- blies ou bien réglées sur une nouvelle valeur en un temps très court. Ce but est atteint, conformément à l'inven- tion, en ce que les commutateurs haute tension compor- tent entre la charge et le ou les appareils du réseau haute tension les caractéristiques suivantes: à chaque ligne de commutation est branché en série avec l'élément d'équilibrage considéré et une diode, un élément de limitation de la tension, grâce à quoi pour une différence de potentiel suffisante sur la ligne de commutation, une tension de fonctionnement est établie par elle dans le condensateur et de ce fait, un élément de commutation correspondant du circuit haute tension est susceptible d'être comman- dé rapidement de l'état de blocage dans l'état con- ducteur par application de cette tension de f onc- tionnement à son pâle de commande par l'intermédiai- re du coupleur optique coupant le potentiel, à chaque ligne de commutation est branché un second coupleur optique entre le pôle de commande et le pôle de sortie de lignes de commutation de l'élément de commutation, de façon que lorsque la ligne de la commutation passe dans l'état de blocage, la capaci- té entre le pâle de commande et le pôle de sortie de la ligne de commutation, puisse être déchargée rapi- dement, dans le cas d'une construction en cascade du commu- tateur haute tension à partir de lignes de commuta- tion individuelles, toutes ces lignes de commutation sont susceptibles d'être commandées simultanément de la même façon, sans rétro-action et rapidement. Des formes de réalisation avantageuses du commutateur haute tension conforme à l'invention, sont caractérisées en ce que Chaque ligne de commutation est susceptible d'être commandée avec une dépense d'énergie négligea- ble de l'état de blocage dans l'état conducteur et in- versement, par l'intermédiaire des coupleurs optiques coupant le potentiel. Chaque ligne de commutation est limitéeà une tension définie par des éléments de limitation de la tension. A l'élément d'équilibrage, constitué par des résistances, d'une ligne de commutation, est branchée en série respectivement une diode qui empêche un re- tour de courant provoqué par la tension de fonctionne- ment appliqué au condensateur. Le courant pour l'exploitation de la ligne de commutation est une fraction du courant traversant l'élément d'équilibrage correspondant. Dans l'état conducteur des potentiels haute tension peuvent être ainsi transmis sans modification. Les avantages obtenus grâce à l'invention, consistent en ce qu'un commutateur haute tension cons- truit en cascade est commandé par l'intermédiaire de coupleurs optiques et, qu'à cet effet, pour un enclen- chement rapide, une tension de fonctionnement est di- 1 O rectement prélevée sur le branchement de la ligne de commutation correspondante Pour le débranchement ou le blocage rapide de la ligne de commutation, la capa- cité entre le pôle de commande de la ligne de commuta- tion et le pôle de sortie de la ligne de commutation, est rapidement déchargée par l'intermédiaire d'un se- cond coupleur optique Le commutateur haute tension peut être ainsi commuté rapidement de façon fiable et sans réaction. L'invention va être exposée ci-après à l'ai- de de l'exemple de réalisation représenté aux dessins ci-joints. la figure 1 montre un commutateur haute tension avec une ligne de commutation, la figure 2 montre un commutateur haute tension avec des lignes de commutation en cascade. La figure 1 montre la constitution de prin- cipe d'un commutateur électronique haute tension ou d'une ligne de commutation I-II conforme à l'inven- tion La différence de potentiel positive UHS s'appli- que tout d'abord lorsque le transistor à effet de champ T se bloque aux bornes I et II ou bien est éta- bli ou bien supprimé sur ces bornes, le montage en sé- rie des résistances Ri et R 2 avec la capacité C 2 cons- tituant, à cet effet, une constante de temps détermi- nante La ligne de commutation I-II est limitée à une différence de potentiel définie entre les bornes I et II par les éléments constitutifs Z 1 et Z 2. La prise sur la diode de Zener Z 3 charge le condensateur Cl à la tension de fonctionnement UB né- cessaire pour la ligne de commutation I-II. Par une excitation séparée en potentiel de la photo-diode dans le coupleur optique Kl, le photo- transistor devient conducteur, grâce à quoi la porte G du transistor à effet de champ T est mise au potentiel UB de la tension de fonctionnement, et la ligne de commutation I-II devient conductrice. Pendant l'excitation de la photo-diode dans le coupleur optique OK 1, la photo-diode dans le cou- pleur optique OK 2 reste non excitée Elle est excitée séparément du potentiel lorsque la ligne de commuta- tion I-II est commandée à l'état bloqué En effet, la capacité portesource CGS est alors déchargée par l'intermédiaire du coupleur optique OK 2 L'élément de limitation R Gs sert à protéger la ligne porte-source. Lors de ces processus de commutation, la diode Dl en série avec les résistances d'équilibrage R 8, R 9 évite un retour de courant depuis le condensa- teur Cl. Grâce aux coupleurs optiques Kl et K 2, on obtient un découplage électrique sans réaction entre l'actionnement de l'enclenchement et du déclenchement et la commande du transistor à effet de champ T. La ligne de commutation I-II est prévue pour maintenir la différence de potentiel électrique U Hs à environ 700 Volts Les différences de potentiel plus élevées sont possibles par branchements les uns der- rière les autres de plusieurs commutateurs haute ten- sion de ce type La figure 2 montre la technique de branchement d'une telle construction. Par des excitations identiques simultanées des différentes photo-diodes dans les coupleurs opti- ques OK 1, les lignes de commutation I-II dans les transistors, deviennent conductrices En même temps, les photo-diodes dans les différentes photo-diodes des opto-coupleurs OK 2, ne sont pas excitées Pour le blocage des lignes de commutation I-II, l'excitation des photo-diodes dans les coupleurs optiques (OK 1/OK 2) est inversée Ce qui a été décrit pour la figure 1 est va- lable, de façon correspondante pour les transistors T. La dérivation de la tension de fonctionne- ment UB s'effectue dans chaque étage directement pour la ligne de commutation correspondante I-II ou bien pour le transistor correspondant T On obtient ainsi également dans le cas de la mise en cascade, un décou- plage sans réaction entre les tensions de fonctionne- ment et les courants d'enclenchement et de déclenche- ment par les photo-diodes dans les coupleurs optiques OK 1. REVENDICATIONS 1. Commutateur haute tension, constitué d'au moins une ligne de commutation, dans lequel pour l'équilibrage de la tension sur des lignes de commuta- tion alignées bout à bout en cascade, un élément d'é- quilibrage est branché en parallèle sur chaque ligne de commutation, tandis que la commande de la ligne de commutation s'effectue par l'intermédiaire d'un cou- pleur optique, commutateur haute tension caractérisé en ce que: à chaque ligne de commutation (I-II) est branché en série avec l'élément d'équilibrage considéré (R 8, R 9) et une diode (Dl), un élément (Z 3) de limitation de la tension, grâce à quoi, pour une différence de potentiel suffisante sur la ligne de commutation (I- II) une tension de fonctionnement est établie par elle dans le condensateur (Cl) et de ce fait, un élément de commutation correspondant (T) du circuit haute tension est susceptible d'être commandé rapi- dement de l'état de blocage dans l'état conducteur, par application de cette tension de fonctionnement (Ub) à son pôle de commande (G) par l'intermédiaire du coupleur optique (OK 1) coupant le potentiel. à chaque ligne de commutation (I-II) est branché un second coupleur optique (OK 2) entre le pôle de com- mande (G) et le pôle de sortie de ligne de commuta- tion (S) de l'élément de commutation, de façon que lorsque la ligne de commutation (I-II) passe dans l'état de blocage, la capacité (CSG) entre le pâle de commande (G) et le pôle de sortie de la ligne de commutation (S) puisse être déchargée rapidement, dans le cas d'une construction en cascade du commu- tateur haute tension, à partir de lignes de commuta- tion individuelles (I-II), toutes ces lignes de com- mutation (I-II) sont susceptibles d'être commandées simultanément de la même façon, sans rétro-action et rapidement. 2. Commutateur haute tension selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que chaque ligne de commutation (I- II) est susceptible d'être commandée avec une dépense d'énergie négligeable de l'état de blocage dans l'état conducteur et inversement, par l'intermédiaire des coupleurs optiques (O Kl/OK 2) cou- pant le potentiel. 3 Commutateur haute tension selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que chaque ligne de commutation (I-II) est limité à une tension définie par des éléments de limitation de la tension (Zi, Z 2). 4. Commutateur haute tension selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que, à l'élément d'é- quilibrage, constitué par des résistances, d'une ligne de commutation, est branchée en série, respectivement une diode (Dl) qui empêche un retour de courant provo- qué par la tension de fonctionnement (UB) appliquée au condensateur (Cl). 5. Commutateur haute tension selon la re- vendication 4, caractérisé en ce que le courant pour l'exploitation de la ligne de commutation (I-II) est une fraction du courant traversant l'élément d'équili- brage correspondant (R 8, R 9). 6. Commutateur haute tension, selon la re- vendication 5, caractérisé en ce que dans l'état con- ducteur, des potentiels haute tension peuvent être ainsi transmis sans modifications.