Brevet FR2671679A1 — publié le 19920717

"Commutateur haute tension dont la commande s'effectue par un coupleur optique " L'invention concerne un commutateur haute tension qui est constitué par une ligne de commutation et pour l'équilibrage de la tension sur des lignes de commutation alignées bout à bout en cascade, un élé- ment d'équilibrage est branché en parallèle sur chaque ligne de commutation, tandis que la commande de la li- gne de commutation s'effectue par l'intermédiaire d'un coupleur optique qui lui est associé. Dans l'électronique haute tension, les li- gnes de commutation étaient précédemment constituées de commutateurs haute tension avec des tubes électro- niques, par exemple des thyratrons ou d'autres types15 de tubes A cet effet, des dispositifs coûteux, tels que le chauffage, l'alimentation de la grille étaient nécessaires, et exigeraient constamment une dépense d'entretien Ils étaient en outre soumis à une forte usure.20 Des temps de commutation, notamment des temps de coupure de longue durée devaient être accep- tés 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 de façon simple et sont, en pratique, sans entretien Cependant, ils doivent être montés en cascades pour le contrôle d'une tension éle- vée et être, de ce fait, commandés avec un niveau de tension différent exactement compatible Ceci peut être réalisé, d'une part par des transformateurs de séparation tel que cela est décrit dans le document DE-PS 32 29 426 Mais on ne peut ainsi commander qu'u- ne tension alternative Par ailleurs, dans le cas de commande en courant continu, on doit utiliser des cou- pleurs optiques (voir US 4 611 123) Ceux-ci nécessi- tent une tension de fonctionnement qui doit être mise en cascade selon la différence de potentiel des lignes de commutation à contrôler La tension de fonctionne- ment est susceptible d'être réglée par l'intermédiaire de transformateurs de séparation Mais, dans ce cas, il s'agit de couplages capacitifs et inductifs entre les étages en cascades qui se traduisent par des per- turbations, telles que des oscillations parasitaires et qui compliquent énormément un tel système et même le rend inutilisable dans certains cas. La firme SIEMENS AG s'engage dans une pre- mière voie pour éviter de tels problèmes et développe à cet effet, des excitateurs de transistors à effet de champ qui sont désignés par BSA 21 et BSA 22 Ces élé- ments constitutifs sont cependant trop lents pour cer- tains cas En outre, ils ont seulement une tension de contrôle d'isolation de 2800 Volts, si bien que les cascades de lignes de commutation doivent demeurer li- mitées à quelques centaines de volts. Le document DE-OS 36 30 775 décrit une cas- cade MOSFET dans laquelle chaque MOSFET est commandé directement et simultanément avec les autres MOSFETS de la cascade pour un transmetteur d'impulsions à noyau de ferrite qui lui est associé Pour des temps de commutation courts et exacts, le transmetteur d'im- pulsions doit nécessairement comporter une transmis- sion à très large bande Des états de commutation dé- finis dans le cas des MOSFETS haute tension ne sont obtenus avec le circuit ainsi décrit que lorsque la haute tension a une évolution pulsée ou bien sous for- me de tension alternative, mais une tension continue est seulement connectée ou déconnectée par l'intermé- diaire des MOSFETS d'excitation. Le document DE-OS 37 31 412 décrit un commu- tateur haute tension avec également une constitution en cascades de plusieurs lignes de commutation Des photo-transistors bipolaires en cascades sont simulta- nément amenés rapidement de l'état de blocage dans l'état conducteur par une photo-diode associée à cha- cun d'eux, ces photo-diodes étant branchées en série. L'émission lumineuse dépend du courant des photo- diodes et donc, également, du degré de conductibilité des photo-transistors Dans le cas de cette disposi- tion, il est seulement important que les transistors deviennent simultanément conducteurs à un instant pré- défini Dans l'étendue des intervalles d'allumage se produisant, le passage de l'état conducteur à l'état de blocage est d'une importance secondaire. L'invention a pour but d'appliquer à une charge capacitive et de séparer de cette charge, par l'intermédiaire de commutateurs haute tension très ra- pides, le potentiels de haute précision d'appareils haute tension bipolaires dont les valeurs peuvent être établies 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 sont ca- ractérisés en ce que: pour chaque ligne de commutation, une boucle de cou- rant passe à travers un noyau annulaire qui lui est associé, et dans cette boucle de courant circule un courant pulsé d'amplitude prédéfinie et de fréquence d'impulsion prédéfinie, qui, par l'intermédiaire d'un autre enroulement d'un nombre de spires prédé- terminé, équipé d'une diode et d'un élément de limi- tation de la tension, produit du fait de la commuta- tion du courant dans un condensateur raccordé à cet enroulement, une tension de fonctionnement indépen- dante suffisamment élevée pour le coupleur optique de séparation du potentiel, tension qui est utilisée pour la commande rapide de la ligne de commutation correspondante, pour chaque ligne de commutation un second coupleur optique est branché entre le pôle de commande de la ligne de commutation et le pôle de sortie de la li- gne de commutation, de façon que lors du passage de la ligne de commutation dans l'état de blocage, la capacité entre le pôle de commande de la ligne de commutation et le pôle de sortie de la ligne de com- mutation, puisse être déchargée rapidement, dans le cas d'une construction en cascades du commu- tateur haute tension, à partir de lignes de commuta- tion individuelles de ce type, toutes ces lignes de commutation sont susceptibles d'être commandées si- multanément de façon identique sans rétro-action et rapidement. D'autres formes de réalisation avantageuses de l'invention d'un 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. La ligne de commutation est protégée depuis le pôle de commande de la ligne de commutation, jusqu'au pâle de sortie de la ligne de commutation, par l'intermédiaire d'un élément de limitation. Chaque ligne de commutation, y compris les éléments de limitation de tension est limitée à une tension définie. Des modifications rapides de la tension peu- vent ainsi être transmises sans modification à une im- pédance. Des potentiels de tension réglés avec une grande précision sont ainsi susceptibles d'être appli- qués à une impédance. Des avantages obtenus grâce à l'invention résident en ce qu'un commutateur haute tension consti- tué en cascade est commandé par l'intermédiaire de coupleurs optiques La tension de fonctionnement des coupleurs optiques est obtenue par l'intermédiaire d'une impulsion de courant externe Ainsi, la haute tension peut être commutée 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. la figure 1 montre un commutateur haute tension avec une ligne de commutation, la figure 2 montre un commutateur haute tension constitué de lignes de commutation en casca- des, la figure 3 montre un système multiplexe haute tension avec un tube à transit comme charge. Le commutateur haute tension selon la figure 1 se compose, en principe, de trois groupes constitu- tifs. 1. la ligne de commutation I-II avec sa possibilité de commande G et avec les résistances Rl et R 2 branchées en parallèle sur la ligne de commutation I-II, ainsi qu'avec les éléments de limitation de la tension Zl et Z 2 Les résistances Rl et R 2 ser- vent pour un réglage défini de la différence de potentiel entre les bornes I et II, 2 La production de la tension externe de fonctionne- ment, par l'intermédiaire d'un noyau annulaire RK, 3. La commande des lignes de commutation I-II au point G, par l'intermédiaire de coupleurs optiques OK 1 et OK 2, les coupleurs optiques OK 1 et OK 2 étant actionnés de façon anti-valente. Dans l'exemple de réalisation, le commuta- teur haute tension est un transistor à effet de champ T, qui est commandé à l'état conducteur par applica- tion de la tension de fonctionnement UB par l'intermé- diaire de sa porte G La commande s'effectue, en étant séparée du potentiel électrique haute tension, par l'excitation de la photo-diode dans le coupleur opti- que OK 1 Simultanément, la photo-diode dans le cou- pleur optique OK 2 n'est pas excitée Elle est cepen- dant excitée lorsque le passage de l'état conducteur vers l'état de blocage s'effectue et provoque alors une décharge de la capacité porte-source CGS On ob- tient ainsi des états de commutation nets L'élément de limitation R Gs sert à protéger la ligne porte- source. La tension de fonctionnement UB prélevée sur le condensateur Cl est produite extérieurement A cet effet, est passée à travers le noyau annulaire, une boucle de courant dans laquelle circule une impulsion de courant avec un taux d'impulsion déterminé Cette impulsion de courant induit dans un second enroulement autour du noyau annulaire, une tension correspondant aux flancs tombants du courant Grâce à un montage ap- proprié du second enroulement, la variation brusque de tension se produisant est utilisée pour obtenir la tension de fonctionnement UB dans le condensateur Cl. La boucle de courant pulsé externe passe à travers le noyau annulaire, en étant isolée du potentiel haute tension Ceci est notamment important, lorsque du fait que la différence de potentiel UHS élevée à contrôler, le commutateur haute tension doit être constitué par un branchement successif ou une cascade de tel commu- tateur haute tension simple La ligne de commutation simple I-Il contrôle à peu près 700 volts de différen- ce de potentiel. A la figure 2 est représentée une mise en cascades de plusieurs lignes de commutation I-Il Dans ce cas, la boucle de courant qui amène l'impulsion de courant externe passe le même nombre de fois, c'est-à- dire une fois dans l'exemple représenté, à travers le noyau annulaire RK faisant partie de la ligne de com- mutation, grâce à quoi, comme décrit ci-dessus, la tension de fonctionnement UB correspondante pour la commande de chaque étage, est préparée dans le conden- sateur Cl correspondant On obtient ainsi une isola- tion du potentiel haute tension correspondant, et un couplage capacitif ou inductif des étages les uns par rapport aux autres est évité dans une large mesure. Comme le montre en outre la figure 2, les diodes dans les coupleurs optiques OK 1/OK 2 sont exci- tées ou non excitées simultanément, c'est-à-dire que les transistors sont toujours dans un état identique. La décharge de la capacité correspondante porte-source CGS lors du passage de l'état conducteur à l'état de blocage, s'effectue par excitation des photo-diodes dans les coupleurs optiques OK 2 Comme mentionné déjà plus haut, l'élément de limitation Rs sert à protéger la ligne porte-source. Dans un but de simplification, les dériva- teurs de surtension Zl, Z 2 ont été omis sur les diffé- rentes lignes de commutation à la figure 2. La constitution d'une installation multi- plexe haute tension conforme au but de l'invention, est représentée à la figure 3. A cet effet, plusieurs appareils de réseaux Ni+, Ni sont branchés par l'intermédiaire de commuta- teurs haute tension I-II et II-I à une charge capaci- tive I, à savoir le tube à transit I Dans l'exemple de réalisation, on part de 16 appareils de réseau au total Il s'y ajoute 16 commutateurs haute tension I'- II' et II'-I' dimensionnés à 10 k V, qui sont consti- tués par les lignes de commutation à semi-conducteurs précédemment décrites I-II Un commutateur à tension nulle Nu et trois autres commutateurs NE,, NE 2, NE 3 servent comme auxiliaires de décharge pour des éche- lons descendants L'installation comprend une interfa- ce de calculateur avec 16 convertisseurs numériques- analogiques de 16 chiffres binaires et deux convertis- seurs analogiques-numériques de 16 chiffres binaires, ainsi que des structures d'informations pour la com- mande du commutateur haute tension Dans l'infrastruc- ture de l'installation, sont en outre prévus des in- terfaces de calculateurs, des circuits de fonctionne- ment et un système de service. Les commutateurs haute tension fonctionnent très vite, de sorte que les temps de commutation des échelons sont uniquement déterminés par la charge ca- pacitive, et le courant maximal de l'appareil du ré- seau. Avec un programme de calculateur standard, 8 échelons montants ou 8 échelons descendants, ainsi que 16 méandres positifs- négatifs peuvent être parcourus par seconde Si le programme de calculateur est élar- gi, de sorte que ce calculateur, en tenant des condi- tions de temps telles qu'elles ont été précédemment décrites, règle chaque appareil du réseau à une nou- velle valeur après qu'il ait été déconnecté de la charge capacitive, on peut obtenir pour des échelons montants ou pour des échelons de méandres montants, environ 40 échelons par seconde. REVENDICATIONS 1. Commutateur haute tension, constitué d'au moins une ligne de commutation, et dans lequel pour l'équilibrage de la tension sur des lignes de commutation alignées bout à bout en cascade, un élé- ment d'équilibrage est branché en parallèle sur chaque ligne de commutation, tandis que la commande de la li- gne de commutation s'effectue par l'intermédiaire d'un coupleur optique qui lui est associé, commutateur hau- te tension caractérisé en ce que: pour chaque ligne de commutation (I- II) une boucle de courant passe à travers un noyau annulaire (RK) qui lui est associé, et dans cette boucle de courant circule un courant pulsé (ip) d'amplitude prédéfinie et de fréquence d'impulsion prédéfinie, qui par l'intermédiaire d'un autre enroulement d'un nombre de spires prédéterminé, équipé d'une diode (Dl) et d'un élément (Z 3) de limitation de la tension, pro- duit du fait de la commutation du courant dans un condensateur (Ci) raccordé à cet enroulement, une tension de fonctionnement indépendante (UB) suffi- samment élevée pour le coupleur optique (OK 1) de sé- paration du potentiel, tension qui est utilisée pour la commande rapide de la ligne de commutation cor- respondante (I-II), pour chaque ligne de commutation (I-II) un second coupleur optique (OK 2) est branché entre le pôle de commande (G) de la ligne de commutation et le pôle de sortie (S) de la ligne de commutation, de façon que lors du passage de la ligne de commutation (I- II) dans l'état de blocage, la capacité (GS) entre le pôle de commande (G) de la ligne de commutation et le pâle de sortie (S) de la ligne de commutation, puisse être déchargée rapidement, dans le cas d'une construction en cascades du commu- il tateur haute tension, à partir de lignes de commuta- tions individuelles (I-II) de ce type, toutes ces lignes de commutation sont susceptibles d'être com- mandées simultanément de façon identique 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. 3. Commutateur haute tension selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que la ligne de com- mutation est protégée depuis le pâle de commande (G) de la ligne de commutation jusqu'au pâle de sortie de la ligne de commutation par l'intermédiaire d'un élé- ment de limitation RGS- 4. Commutateur haute tension selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que chaque ligne de commutation (I-II) par les éléments de limitation de tension (Z 1, Z 2) est limitée à une tension définie. 5. Commutateur haute tension selon la re- vendication 4, caractérisé en ce que des modifications rapides de la tension peuvent être ainsi être transmi- ses sans modification à une impédance. 6 Commutateur haute tension selon la re- vendication 5, caractérisé en ce que des potentiels de tension réglés avec une grande précision sont ainsi susceptibles d'être appliqués à une impédance.