Brevet FR2705513A1 — publié le 19941125

CONTACTEUR DISJONCTEUR STATIOUE UTILISANT DES THYRISTORS OUVRABLES PAR LA GACHETTE (TOG). La présente invention concerne un dispositif contacteur disjoncteur statique utilisant des thyristors ouvrables par la gâchette, et dont la fonction est d'établir ou de couper le courant à destination de charges alimentées par un réseau triphasé. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la protection d'installations électriques comportant des charges pouvant être soit inductives, comme les moteurs électriques, soit résistives, comme les résistances de chauffage. On sait que les thyristors sont des composants semi-conducteurs présentant quatre couches, alternativement de type n et de type p, pour former une structure sandwich p-n-p-n, et trois bornes de connexion, une cathode, une anode, et une gâchette. Plus particulièrement, les thyristors ouvrables par la gâchette (TOG) présentent la particularité de pouvoir empêcher le courant électrique de passer entre l'anode et la cathode, si l'on extrait par la gâchette qui est en contact avec une couche de type p, toute la charge électrique qui s'y trouve stockée. Les composants de ce type présentent l'avantage de bien se comporter sous l'effet de tensions et de courants de moyenne amplitude (quelque centaines de volts et une centaine d'ampères). Toutefois, ils font apparaître un inconvénient. L'extraction de la charge électrique à partir de la gâchette prend un temps non négligeable, ce composant présente donc une durée d'ouverture relativement longue. De plus, la charge qui s'y trouve stockée combinée à la remontée de la tension entre l'anode et la gâchette imposée par le circuit extérieur provoque un phénomène connu sous le nom de courant de queue. La commande du thyristor doit être capable d'absorber ce courant. Lorsqu'il s'agit d'utiliser de tels composants comme interrupteurs dans un contacteur disjoncteur sur un réseau d'énergie industriel, il est nécessaire que le temps de commutation soit très faible. Pour cela, l'extraction de la charge stockée doit se faire sous un courant important. Pour résoudre ce problème, on a déjà proposé de déclencher le thyristor à l'ouverture par deux tensions : l'une supérieure à la tension de claquage gâchette-cathode pendant un temps très court (0,5 à 3 ps) ; l'autre, plus faible, appliquée pendant toute la phase d'ouverture du thyristor. Il s'avère que ces dispositions font nécessairement intervenir deux interrupteurs commandés par une base de temps de manière à pouvoir effectuer un cycle de commutation approprié sans endommager le thyristor. Elles impliquent en outre deux sources d'alimentation en tension distinctes, respectivement affectées à la charge de deux condensateurs, l'un étant affecté au déclenchement de l'ouverture du thyristor, et l'autre à son maintien à l'état ouvert. La présente invention a plus particulièrement pour but de simplifier un tel dispositif afin d'en réduire le coût et l'encombrement. Elle propose à cet effet un contacteur disjoncteur statique utilisant au moins un thyristor du type ouvrable par la gâchette. Ce contacteur disjoncteur est plus particulièrement caractérisé en ce que l'ouverture du thyristor est déclenchée à la suite de la connexion de la gâchette à deux condensateurs préalablement chargés, dont l'un est porté à une tension supérieure à la tension de claquage de la jonction gâchette-cathode du thyristor par l'intermédiaire d'un élévateur de tension alimenté un par un circuit d'alimentation, tandis que l'autre est monté en série avec un dispositif limiteur de tension qui limite sa tension à une tension inférieure à ladite tension de claquage. La tension de charge et la capacité du premier condensateur sont optimisées pour déclencher l'ouverture en un temps relativement bref en absorbant la charge stockée dans le thyristor, sans risquer d'endommager sa jonction gâchettecathode. Celles du second condensateur sont choisies pour prendre le relais du premier condensateur et appliquer dans tous les cas, une tension négative de plusieurs volts sur la gâchette de manière à maintenir le thyristor à l'état ouvert et à absorber le courant de queue. Pour pouvoir commander une phase d'un réseau triphasé, le contacteur disjoncteur comprend, par phase, deux thyristors ouvrables par la gâchette symétriques en tension montés tête bêche. De cette manière, le passage du courant est possible dans les deux sens. Selon une particularité de l'invention, le contacteur disjoncteur comprend un circuit d'ouverture par thyristor et un circuit de fermeture commun aux deux thyristors d'une même phase. En outre, les commandes de fermeture et d'ouverture sont transmises aux circuits de fermeture et d'ouverture par l'intermédiaire de photo-coupleurs, de manière à obtenir une isolation électrique complète entre ces circuits et les circuits de commande. Les thyristors utilisés sont des composants bipolaires capables de bloquer 1200 volts dans les deux directions, le courant ne pouvant passer que dans un seul sens. Un mode de réalisation du dispositif selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 représente une vue en coupe transver sale d'un thyristor ouvrable par la gâchette la figure 2 illustre la façon dont les thyristors sont montés sur chaque phase à commander dans le dispositif contacteur disjoncteur statique la figure 3 montre le schéma électrique du dispo sitif contacteur disjoncteur statique les figures 4 et 5 donnent les courbes caracté ristiques des circuits de fermeture et d'ouver ture. Les thyristors à ouverture par la gâchette utilisés dans cet exemple sont des composants bipolaires capables de bloquer 1200 volts dans les deux sens, le courant ne pouvant passer que dans un seul sens. Ils sont réalisés suivant le système de terminaison de champ dit PLANAR, c'est-à-dire sans gravure du silicium. Le dopage des différentes couches est obtenu par implantation ionique afin d'obtenir un bon contrôle des diffusions. Ils sont capables de supporter des pics de courant de 260 ampères, une tension maximum de 1200 volts, et un courant moyen de 20 ampères. Le courant contrôlable par ces thyristors est de 120 ampères. Le thyristor représenté sur la figure 1 à titre d'exemple, comprend deux faces sur lesquelles se répartissent trois bornes de connexion - une anode A qui recouvre entièrement l'une des deux faces, - une cathode K, et - une gâchette G qui, avec la cathode K, recouvre l'autre face à l'exception d'un mince intervalle 11 situé entre la gâchette G et la cathode K. En partant de l'anode A, le thyristor comprend quatre couches 15 à 18 d'un matériau semi-conducteur alternativement du type p et du type n pour former une structure sandwich dans laquelle l'anode A est en contact avec une couche 15 de type p, la gâchette G avec une couche 17 également de type p, et la cathode K avec une couche de type n. La figure 2 représente un montage destiné à commander un courant susceptible de passer dans les deux sens, étant entendu qu'un thyristor laisse passer le courant dans un seul sens. Ce montage comprend donc deux thyristors 1,2 montés tête-bêche entre une phase 3 d'un réseau électrique et une charge 4 pouvant être par exemple un moteur ou une résistance de chauffage. Selon ce montage, l'anode Al du premier thyristor 1 est reliée à la cathode K1 du second thyristor 2, et réciproquement, l'anode A2 du thyristor 2 est reliée à la cathode K1 du thyristor 1. Par ailleurs, les gâchettes G1,G2 et les cathodes K1,K2 des thyristors 1,2 sont reliées à un circuit de commande qui sera décrit plus loin. La figure 3 représente le schéma électrique d'un dispositif contacteur disjoncteur statique comprenant un montage de thyristors du type décrit ci-avant, un circuit de fermeture 7 commun au deux thyristors 1,2 et deux circuits d'ouverture 8,9 respectivement affectés aux deux thyristors. Le circuit de fermeture 7 est alimenté par une tension de 15 volts délivrés par l'enroulement secondaire d'un transformateur en fonctionnement de type "forward" , et appliqués aux bornes Vf+ et Vf-. Il comprend tout d'abord une cellule de filtrage composée d'une inductance L1 montée en série sur la borne Vf+ avec une diode D1, et un condensateur C1 monté en parallèle. Ce montage permet d'alimenter un photocoupleur IC1 prévu pour isoler le circuit de commande (non représenté) du reste du circuit. La commande est appliquée à l'entrée du photo-coupleur IC1 par les bornes Dfe et Dfs, tandis que la sortie de ce dernier attaque la grille d'un transistor Q1 dont l'émetteur est relié à la borne Vf-. Une résistance R1 est placée entre la grille et l'émetteur du transistor Q1 pour le protéger des signaux transitoires se produisant lorsque la tension issue du photo-coupleur IC1 n'est pas encore établie. Par ailleurs, le collecteur du transistor Q1 est relié aux cathodes Al et A2 des thyristors 1 et 2 par l'intermédiaire de deux diodes D3,D2 respectives, tandis que son émetteur est connecté aux gâchettes G2 et G1 des thyristors, par l'intermédiaire des diodes D4,D5. Lorsque le photo-coupleur IC1 délivre une tension en sortie sous l'effet d'un signal de commande, il débloque le transistor Q1 normalement bloqué qui place les gâchettes G1 et G2 sous une tension qu'il prélève aux anodes Al et A2, ce qui provoque la fermeture des deux thyristors 1,2. Grâce à ce circuit, la fermeture des thyristors 1,2 est réalisée en prélevant aux anodes Al et A2 des thyristors la tension nécessaire au déclenchement et au maintien de l'état passant, ce qui limite considérablement la puissance consommée par la commande. Le transistor Q1 doit pouvoir se bloquer et se débloquer rapidement et limiter le courant collecteur émetteur à destination des gâchettes G1,G2 des thyristors afin de ne pas risquer de perturber l'ouverture des thyristors. Par ailleurs, le photo-coupleur IC1 qui comporte un pilote de MOS doit être adapté à la commande du transistor Q1, et les diodes D2 à D5 doivent pouvoir supporter des pics de tension en inverse de 1200 volts et un courant maximal transitoire de 10 ampères. Ces conditions sont réalisées à l'aide du photo-coupleur TLP 250 fabriqué par TOSHIBA, du transistor BUP 200 de SIEMENS et des diodes 1N4007 de bonne qualité. Chaque circuit d'ouverture 8,9 représenté sur la figure 3 est destiné à déclencher l'ouverture d'un seul des deux thyristors. Ces circuits 8,9 sont alimentés respectivement par deux enroulements secondaires du transformateur en fonctionnement forward attribué à chaque phase, qui appliquent une tension de 15 volts aux bornes Vo+ et Vo-. Ces enroulements secondaires alimentent chacun, d'une part, un photo-coupleur IC2 par l'intermédiaire d'une cellule de filtrage formée d'une inductance L2 et d'une diode D6 montées en série avec un condensateur C2, et d'autre part, un circuit élévateur de tension, de type doubleur de tension mono-alternance classique, mettant en oeuvre deux diodes D7,D8 et deux condensateurs C5,C6. Le circuit élévateur de tension est donc capable de délivrer une tension de 30 volts à partir d'une tension de 15 volts. Cette tension de 30 volts est appliquée à une diode Zener D9, montée en inverse, en série avec un condensateur C3, et à un condensateur C4 monté en parallèle. Comme pour le circuit de fermeture, le photo-coupleur IC2 permet d'isoler le circuit de commande qui applique les commandes d'ouverture aux bornes Doe et Dos du photo-coupleur IC2. La sortie du photo-coupleur est reliée à la grille d'un transistor à effet de champ Q2 dont la source est reliée à la borne Vo-. Par ailleurs, une résistance R2 est placée entre la grille et la source du transistor Q2. Le drain du transistor Q2 est quant à lui relié à la gâchette de l'un des deux thyristors et à une résistance R3 dont l'autre borne reçoit la tension de 30 volts générée par le circuit élévateur de tension. Lorsque ce circuit de commande d'ouverture d'un thyristor est placé sous tension, le transistor Q2 étant à l'état bloqué, les condensateurs C3 et C4 se chargent respectivement sous des tensions inférieures (10 V) et supérieures (30 V) à la tension d'avalanche de la jonction gâchettecathode. A cet effet, la diode Zener D9 montée en série avec le condensateur C3 permet de réduire de 30 à 10 V, la tension de charge appliquée à ce dernier. Lorsque l'on applique une tension de commande entre les bornes Doe et Dos d'entrée du photo-coupleur IC2, ce dernier délivre une tension en sortie qu'il applique à la grille du transistor Q2 et qui provoque son déblocage, ce qui a pour effet de mettre la gâchette du thyristor en contact avec les condensateurs préalablement chargés C3 et C4. Le fait d'imposer ainsi une tension fortement négative entre la gâchette et la cathode permet d'extraire toute la charge stockée dans le thyristor. Pour obtenir une variation de courant maximum lors de l'ouverture, la tension de charge du condensateur C4 est supérieure à la tension d'avalanche de la jonction gâchette-cathode. Une fois la majeure partie de la charge stockée dans le thyristor extraite, les charges encore disponibles dans le condensateur C4 sont en partie évacuées par le courant d'avalanche (tant que la tension gâchette-cathode est supérieure à la tension de claquage), et en partie par le courant de queue qui subsiste au niveau de la gâchette et de l'anode après l'ouverture du thyristor. L'association au secondaire du transformateur d'un doubleur de tension permet de charger le condensateur C4 sous une tension de 30 volts et C3 à l'aide de la diode Zener D9 sous 10 volts. Après la phase de commutation du thyristor et pendant toute la durée d'application de la commande d'ouverture, du courant est extrait du doubleur de tension qui voit sa tension de sortie s'abaisser sous le seuil d'avalanche de la jonction gâchette-cathode. Cela évite de dissiper trop d'énergie dans cette jonction. Il est nécessaire d'utiliser un circuit d'ouverture pour chaque thyristor car les électrodes de référence des circuits d'ouverture des thyristors ne se trouvent pas au même potentiel. Pour augmenter encore la variation du courant dans la gâchette, on a amélioré le circuit d'extraction de la charge stockée dans le thyristor en disposant le condensateur C4 à proximité immédiate du thyristor grâce à un montage hybride. Ainsi le contacteur disjoncteur comprend un circuit hybride de puissance regroupant - les deux thyristors 1,2 montés tête-bêche entre une borne Al et une borne A2 d'une même phase, - les condensateurs d'extraction C4 de la charge stockée dans les deux thyristors, - les transistors Q2 et les résistances R3 du circuit d'ouverture de chaque thyristor. Dans ce circuit hybride, les composants sont montés à la surface d'un substrat en cuivre/alumine/cuivre. Cette disposition permet d'aboutir à un circuit de faible volume, présentant une bonne résistance thermique, et dont le boîtier favorise la dissipation de la chaleur. Toutes ces dispositions permettent d'obtenir les caractéristiques de fermeture et d'ouverture décrites ci-après. Ainsi, la figure 4 montre en fonction du temps les caractéristiques du circuit de fermeture, sur laquelle - la courbe If représente l'image du courant traversant la diode du photo-coupleur IC1, le niveau bas indiquant la présence du courant et le niveau haut son absence, - la courbe Uge représente la variation de la tension grille-émetteur du transistor Q1, - la courbe Uak, la variation de la tension anode-cathode des thyristors, et - la courbe Ig, le courant issu de la gâchette des thyris tors. Le temps de transfert du photo-coupleur IC1 étant de 100 ns (nanosecondes), la courbe If indique le moment à partir duquel un courant circule dans la diode du photo-coupleur ICl. 100 ns après la réception de la commande de fermeture par le photo-coupleur IC1, la tension grille-émetteur du transistor Q1 s'établit à 15 volts environ (une division correspondant à 250 ns). Alors, un courant Ig apparaît au niveau de la gâchette et augmente pendant environ 300 ns, puis s'annule sensiblement 100 ns après la fermeture du thyristor. Du côté du thyristor, la tension anode-cathode s'annule 650 ns après l'établissement de la tension grille-émetteur du transistor Q1, ce qui correspond à la fermeture du thyristor. Par conséquent, la fermeture de ce dernier se produit seulement 850 ns après la réception de la commande de fermeture par le photo-coupleur IC1. La figure 5 illustre en fonction du temps les caractéristiques du circuit d'ouverture, sur laquelle - la courbe If représente l'image du courant traversant la diode du photo-coupleur IC2, le niveau bas indiquant la présence du courant et le niveau haut son absence, - la courbe Ugk indique la variation de la tension entre la gâchette et la cathode du thyristor, - la courbe Ia, la variation du courant issu de l'anode du thyristor, et - la courbe Uak, la variation de la tension anode-cathode du thyristor. La courbe If indique l'instant ou le circuit d'ouverture est commandé. Environ 125 ns après, la tension inverse d'extraction grille-cathode Ugk est appliquée par le condensateur C4, jusqu'à la désaturation de la couche p+ de la gâchette. A la suite de quoi le courant Ia issu de l'anode décroît d'environ 80 A en 100 ns, et simultanément, la tension Uak croit de 0 à 1100 V en 1,5 s. REVENDICATIONS 1. Contacteur disjoncteur statique utilisant au moins un thyristor du type ouvrable par la gâchette, caractérisé en ce que l'ouverture du thyristor (1.2) est déclenchée à la suite de la connexion de la gâchette (G1,G2) à deux condensateurs (C4,C3) préalablement chargés, dont un premier (C4) est porté à une tension supérieure à la tension de claquage de la jonction gâchette-cathode du thyristor (1,2), par l'intermédiaire d'un élévateur de tension alimenté par un circuit d'alimentation, tandis qu'un second (C3) est monté en série avec un dispositif limiteur de tension qui limite sa tension à une tension inférieure à ladite tension de claquage. 2. Contacteur disjoncteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tension de charge et la capacité du premier condensateur (C4) sont choisies relativement basses pour ne pas détériorer le thyristor, tout en étant suffisantes pour déclencher l'ouverture du thyristor en un temps relativement bref et absorber son courant de queue. 3. Contacteur disjoncteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension de charge et la capacité du second condensateur (C3) sont choisies pour prendre le relais du premier condensateur (C4) et appliquer dans tous les cas, une tension négative de plusieurs volts sur la gâchette (G1,G2) de manière à maintenir le thyristor (1,2) à l'état ouvert. 4. Contacteur disjoncteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif limiteur de tension est une diode Zener (D9) alimentée par l'élévateur de tension. 5. Contacteur disjoncteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un transistor (Q2) reliant la gâchette (G1,G2) aux deux condensateurs (C3,C4), susceptible de se débloquer sous l'effet d'une commande d'ouverture du thyristor (1,2). 6. Contacteur disjoncteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élévateur de tension est de type doubleur de tension mono-alternance comprenant deux condensateurs (C5,C6) et deux diodes (D7,D8) dimensionnés pour débiter un faible courant. 7. Contacteur disjoncteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux thyristors (1,2) ouvrables par la gâchette montés tête bêche entre une première borne (Al) et une seconde borne (A2) d'une même phase. 8. Contacteur disjoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux circuits d'ouverture (8,9) identiques, un par thyristor, et un circuit de fermeture (7) commun aux deux thyristors (1,2), chaque circuit (7,8,9) étant alimenté par un circuit d'alimentation, chaque circuit d'ouverture (8,9) comprenant notamment les deux condensateurs (C3,C4), l'élévateur de tension (C5,C6,D7,D8), le transistor (Q2) et la diode Zener (D9). 9. Contacteur disjoncteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les commandes d'ouverture et de fermeture sont transmises respectivement aux circuits d'ouverture (8,9) et de fermeture (7) par l'intermédiaire de photo-coupleurs (IC1,IC2). 10. Contacteur disjoncteur selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit hybride (6) sur lequel sont montés les deux thyristors (1,2), ainsi que le premier condensateur (C4) et le transistor (Q2) de chaque circuit d'ouverture (8,9).