Brevet FR2715249A1 — publié le 19950721

La présente invention concemrne un dispositif de commutation particulièrement adapté aux tensions et courants élevés notamment un dispositif à thyristors. s De tels dispositifs comparables connus, notamment ceux utilisant des thyristors, destinés à la commutation de tensions (ou de courants) élevées par rapport à la tension inverse, possèdent plusieurs thyristors, chacun d'eux intégré dans un boîtier. Le grand nombre de thyristors est indispensable pour que les caractéristiques de puissance souhaitées puissent être obtenues avec des thyristors o10 disponibles sur le marché. Les boîtiers à thyristor connus ayant par nature un certain volume, il est nécessaire de mettre en place des circuits compliqués pour obtenir une répartition homogène de la tension appliquée entre les différents thyristors. En outre, l'inconvénient des boîtiers à thyristor connus est que les montages utilisés pour la répartition homogène (circuit Snubber) de la tension appliquée doivent aussi assurer une bonne protection des éléments du thyristor lors de la commutation en ouverture et en fermeture. Lorsqu'on commande la com- mutation en fermeture des thyristors montés en série, il faut veiller à ce que tous les thyristors reçoivent l'impulsion de gachette au même moment (As30ns). Si cette condition ne peut être remplie par un circuit d'amorçage correspondant (unité de gachette), il convient d'utiliser un circuit protecteur (circuits RC, bobine de saturation), qui protège les thyristors amorcés ultérieurement contre les surtensions. Lors de l'ouverture, il apparaît des surtensions négatives induites par des inductances parasites, qui sont également dues à la géométrie volumineuse des dispositifs à thyristors connus. Pour absorber ces surtensions, il est également nécessaire d'utiliser un circuit protecteur (circuit RC, diode de roue libre etc.). Comme on l'a déjà évoqué, les dispositifs de commutation à thyristor connus sont volumineux lorsqu'ils doivent permettre de bloquer des tensions relativement élevées, par exemple supérieures à 20 kV. Etant donné que le nombre de thyristors augmente avec la puissance mise en jeu, il en résulte un accroissement de l'inductance et, donc de l'inductance parasite du commutateur, ce qui, en particulier dans les applications en courant pulsé, entraîne des pertes non négligeables qui doivent également être absorbées par le circuit protecteur. 2 2715249 Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de commutation plus particulièrement adapté à la commutation de tensions et de courants élevés, en particulier un dispositif à thyristors, et qui permet notamment d'éviter dans la mesure du possible les inconvénients résultant de l'état de l'art. En particulier,.ce dispositif de commutation possède, pour des caractéristiques de puissance comparables à celles de dispositifs répondant à l'état de l'art, des dimensions beaucoup moins grandes et n'exige en principe pas de circuit protecteur compliqué. Cet objectif est atteint par un dispositif de commutation particulièrement adapté aux tensions et courants élevés, notamment dispositif à thyristors possédant au moins deux contacts d'alimentation en courant ainsi que, tenant lieu d'anode ou de cathode, au moins un ensemble de thyristors et disques associés comportant un matériau semi-conducteur, dispositif caractérisé en ce que, au moins deux ensembles de thyristors et disques associés sont empilés, sachant que ces ensembles de thyristors et disques associés étant adjacents, des disques intermédiaires les reliant entre eux étant composés d'un matériau semi-conducteur ou le molybdène. Les avantages retirés de l'invention résultent du fait qu'on a prévu l'empilement d'au moins deux, de préférence plusieurs thyristors dans un même boîtier. Les thyristors étant étroitement adjacents, leur empilement exigera la mise en place de disques intermédiaires composés, de préférence, d'un matériau semi- conducteur. Le dispositif conforme à l'invention permet de prévoir, à l'intérieur d'un boîtier extrêmement compact, dans un volume très réduit, la mise en place d'un grand nombre de thyristors empilés avec respectivement, au dessus et au dessous de chacun, au moins un disque de contact, soit en matériau semi-conducteur, par exemple en silicium, soit en molybdène. Le molybdène s'est avéré particulièrement intéressant, car, placé en contact avec des semi-conducteurs, il possède des propriétés thermiques très avantageuses précisément dans le domaine de la technologie des tensions et des courants élevés. Afin de pouvoir alimenter chaque thyristor avec un courant de gachette suffisant pour surmonter le courant inverse du thyristor, il s'est avéré particulièrement important que la pression sur chaque contact de gachette commandant le thyristor soit définie avec précision. Cette pression doit être indépendante de la contrainte 3 2715249 thermique et mécanique exercée sur l'empilement de thyristors. Pour pouvoir appliquer cette pression exacte, on pourrait utiliser des ressorts métalliques, par exemple des ressorts en cuivre, qui permettent simultanément d'établir le contact électrique avec la gachette de la plaquette respective du thyristor. Il s'est toutefois avéré que certains élastomères étaient tout particulièrement adaptés et avantageux pour exercer, sous les contraintes thermiques et mécaniques les plus diverses, une pression presque ou rigoureusement constante sur la gachette respective du thyristor. Il faut ici tenir compte du fait que, pendant le processus de commutation dans un dispositif à thyristors, et notamment dans le dispositif à thyristors conforme à la présente invention, il apparaît des effets de répulsion dus à des interactions électromagnétiques, qui donnent lieu à des sollicitations mécaniques, de sorte que, ne fût-ce que pour cette raison, il est difficile de disposer dans chaque cas d'une pression globalement constante. Mais de plus, les propriétés élastiques des dispositifs à ressort habituels sont modifiées par des effets thermiques, ce qui fait que la force élastique d'un ressort diminue lorsque l'échauffement augmente ou augmente lorsque la température diminue. Pour assurer la pression nécessaire sur les contacts de gachette du dispositif à thyristors conforme à la présente invention, non seulement à l'intérieur de l'empilement, mais pour pouvoir en outre exercer de l'extérieur une pression constante, la structure empilée est serrée entre un contact en forme de poinçon et un autre contact en forme de butée ou de poinçon. Le poinçon est pressé contre l'empilement des thyristors par l'intermédiaire d'un dispositif à ressort avec une force bien définie. On peut ainsi régler l'effort de serrage avec exactitude. Pour éliminer le risque de décharges, il est préférable que le boîtier du dispositif conforme à la présente invention soit conçu de manière à être étanche au vide (vide primaire) en prévoyant, par exemple, des dispositifs, tels que joints toriques, en caoutchouc ou en matériaux similaires, entre la partie cylindrique du boîtier réalisée de préférence en matériau isolant et le câble supérieur d'alimentation en courant ainsi que la dérivation inférieure (ou inversement). Il est préférable de prévoir les liaisons électriques avec l'anode et la cathode de chaque thyristor par l'intermédiaire des disques de contacts, par exemple en molybdène disposés au-dessus et en-dessous de chacun d'eux. Les traversées des câbles reliés aux anode et cathode doivent également être étanches. 4 2715249 En raison du faible volume occupé par l'empilement des thyristors, des disques de contact et du dispositif de serrage de la gachette à l'intérieur de l'empilement, l'encombrement du dispositif conforme à la présente invention est considérablement réduit par rapport à l'état de l'art. C'est ainsi qu'on obtient une réduction d'au moins 70% lorsque les ressorts destinés au serrage des contacts de gachette sont faits d'un matériau usuel. On peut même réduire l'encombrement du dispositif conforme à la présente invention de 85% par rapport à celui des dispositifs actuels si l'on utilise un élastomère correspondant comme moyen extrêmement avantageux pour serrer les contacts de gachette respectifs. En raison des faibles dimensions, I'inductance propre du dispositif conforme à la présente invention est fortement réduite, de sorte qu'un circuit protecteur pour la mise hors circuit, un circuit dit "Snubber", qui est un branchement compliqué de circuits RC, de bobines de saturation et diodes de roue libre etc., est inutile. Si, pour le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention, on utilise pour la commutation un système d'alimentation de la gachette capable de commuter en un intervalle de temps très court, on peut également se passer de circuit protecteur ou de circuit Snubber lors de la mise en circuit. L'intervalle de temps pendant lequel le dispositif d'alimentation de la gachette alimente la gachette des dispositifs en empilement avec les courants de gachette nécessaires devrait être relativement bref, de préférence inférieur à 50ns, et en particulier inférieur à 30ns. Si le dispositif conforme à l'invention doit être utilisé pour des applications en courant continu ou pour des applications à basse fréquence, il faut en plus tenir compte des sollicitations thermiques, que l'on peut toutefois maîtriser facilement par des dissipateurs thermiques de la chaleur due à l'effet Joule. Dans ce qui suit, on décrit en détail la présente invention dans une version préférentielle et en se référant aux figures jointes en annexe. On illustre ainsi les autres avantages et les autres caractéristiques conformes à la présente invention. On montre en: Figure I un dispositif conçu conformément à la présente invention, sous forme d'une représentation en coupe effectuée le long de l'axe du cylindre d'une version comportant un boîtier cylindrique; 2715249 Figure 2 sous forme schématique un ensemble thyristor et disques associés, en tant qu'élément empilé dans un dispositif conçu conformément à la présente invention; Figure 3 les caractéristiques de montée du courant en fonction du temps d'un dispositif à thyristors conçu conformément à l'invention; Figure 4 un circuit ou une unité de gachette préférentiels conformes à l'invention dans un schéma de montage et en Figure 5 les caractéristiques d'amorçage de deux circuits conformes à la figure 4. La figure I représente un dispositif conforme à la présente invention destiné à la commutation de tensions et de courants élevés, en particulier un dispositif à thyristors appellé commutateur 10 dans ce qui suit. Le commutateur 10 possède un boîtier 16 qui, de préférence, est composé au moins partiellement d'un matériau isolant, afin qu'aucun courant de court-circuit ne puisse s'écouler par le boîtier. Le matériau du boîtier 16 devrait être globalement étanche. Pour le fonctionnement d'un commutateur 10 équipé conformément à la présente invention, il faudrait que celui-ci soit notamment mis au moins sous vide primaire, afin de réduire ou d'écarter la probabilité d'amorçage. Il est également avantageux de remplir le commutateur 10 conforme à l'invention d'un gaz protecteur, par exemple un gaz inerte ou un gaz rare. Les anodes - ou cathodes - et les commandes des gachettes peuvent être amenées vers l'extérieur par des alésages pratiqués dans le boîtier 16. L'étanchéité entre les sorties et le boîtier peut par exemple être réalisée en utilisant des joints toriques. Pour établir le contact entre la sortie de l'anode ou de la cathode et le disque 40, on peut pratiquer au bord de ce dernier un évidement ou un alésage. Le fil de raccordement peut y être introduit, puis le contact y être établi par une compression mécanique du trou ou de l'alésage avec le disque 40. A l'extrémité supérieure et inférieure du boîtier 16 de forme cylindrique, on a prévu les connexions 12 et 14 du commutateur 10 conforme à l'invention, le contact supérieur possédant un couvercle de contact 12a qui comporte une ouverture dans laquelle est placée la section supérieure en forme de tête de vis 12 d'un poinçon 22. Le poinçon 22 s'appuie sur le couvercle du boîtier 12a par l'intermédiaire d'un 6 2715249 dispositif à ressort 24, le dispositif à ressort fournissant une pression déterminée avec laquelle le poinçon 22 peut agir sur l'empilement conforme à l'invention La section en forme de tête de vis 12 du poinçon 22 est rendue étanche par rapport à l'évidement situé à l'intérieur du boîtier 16, dans lequel est prévu le dispositif de plaquettes de thyristors empilé conforme à l'invention, ou par rapport à l'environnement du boîtier par un dispositif d'étanchéité 20, par exemple un joint torique. Entre le couvercle supérieur du boîtier 12a et la partie cylindrique du boîtier 16, on peut insérer un dispositif d'étanchéité 20. De même, entre le contact inférieur 14 servant de butée et la partie cylindrique du boîtier 16, on peut insérer un dispositif d'étanchéité 20. A la place des dispositifs d'étanchéité 20, on pourrait également effectuer un collage d'au moins certaines parties du boîtier 16, la section supérieure en forme de tête de vis 12 du poinçon 22 devant cependant être de préférence mobile, car ici, en raison des contraintes mécaniques dues à la commutation du commutateur 10 conforme à l'invention, il peut apparaître des sollicitations mécaniques qui doivent être absorbées par le dispositif à ressort 24, ce qui ne serait pas possible si le poinçon 22 était fixé dans sa position par un collage de la section supérieure en tête de vis 12. Si le boîtier 16 est composé d'éléments individuels, il peut être maintenu par des vis, des tiges filetées ou des éléments analogues 18. Ceci présente l'avantage que l'on pourrait munir un seul et même commutateur d'un nombre différent de thyristors 46 en fonction des différentes exigences, pour obtenir différentes caractéristiques de puissance. Le commutateur 10 conforme à la figure I possède par exemple quatre thyristors. La fonction d'un thyristor ne sera pas expliquée dans les détails ici, car elle est connue de tous. Pour le principe de fonctionnement, on se contentera de citer à titre d'exemple l'ouvrage "Halbleiterelektronik", 8ème édition, 1988 de A. Moschwitzer et K. Lunze, pages 330 et suivantes. Le contenu de cette citation est destiné expressément à expliciter le présent texte en ce qui concemrne la fonction des thyristors. Les thyristors 46 serrés entre le poinçon 22 et le contact 14 servant de butée au poinçon 22 sont maintenus entre les disques de contact respectifs 40 et ', le disque de contact 40 étant en contact avec un disque 44 muni d'un évidement ou d'une ouverture dans lesquels est installé un dispositif à ressort 42, en particulier 7 2715249 un élément en élastomère 42, par l'intermédiaire duquel une pression bien définie est exercée sur la gachette 50. Pour l'élément en élastomère, on peut par exemple utiliser un élastomère de type copolymère EVA (copolymère d' "acétate d'éthylène-vinyle") comportant 28 % d'acétate de vinyle. L'épaisseur de l'élastomère est de 0,5 mm. formule: -tCH H H-CH ofCYC H 3 Sur le thyristor 46, on raccorde le disque de contact 40' suivant, qui est simultanément utilisé pour la sortie du courant du premier thyristor 46 et pour l'alimentation des thyristors 46 suivants ou du dispositif empilé correspondant avec les disques 40, 44 et 46. Cette succession de couches décrite ci-dessus se poursuit dans l'empilement du commutateur 10 conforme à l'invention, jusqu'à ce que finalement le disque de contact 40' du demrnier thyristor 46 vienne prendre appui sur le contact 14. Pour empêcher un glissement du thyristor 46, qui peut se produire en particulier lors de la mise en circuit et du fait des sollicitations mécaniques qui en résultent, on a prévu des tampons en caoutchouc 48 pour appuyer les thyristors 46 sur la paroi latérale cylindrique du boîtier 16. Les tampons (ou bords) en caoutchouc servent aussi de protection contre les amorçages sur les bords des thyristors. Pour pouvoir remplir toutes les exigences, il est souhaitable que les disques 40, 44, 40' de l'empilement conforme à l'invention soient composés du même matériau semi-conducteur, ou en molybdène, matériau à privilégier en raison de son comportement thermique. Toutefois, d'autres matériaux ou successions de couches composées de différents matériaux sont également appropriés. La figure 2 représente un thyristor et ses disques associés à l'intérieur d'un empilement du commutateur 10 conforme à l'invention selon la figure 1. Le disque, de préférence un disque en molybdène, possède un raccordement 41. Le 8 2715249 disque 40 sert d'élément de liaison avec le thyristor voisin ou le poinçon 22. La connexion 41 sort du boîtier et est raccordée à l'unité de gachette. Sous le disque 40, on place un dispositif à ressort 42, en particulier un s élément composé d'un élastomère, sur lequel, à partir du poinçon 22 conformément à la figure 1, on exerce par l'intermédiaire du disque, une pression de serrage, par laquelle on réalise un contact de gachette 50, qui est prévu à l'intérieur d'un évidement ou d'une ouverture du disque 44, lui aussi de préférence en molybdène. Les prises de la gachette 45 peuvent là aussi sortir latéralement du disque. On représente à titre d'exemple en fig. 3 le courant qui doit être fourni par le commutateur 10, conformément à la figure 1 ou conformément à la figure 2, en fonction du temps. Le commutateur 10, équipé spécialement pour des applications en courant à impulsion monocoup, peut fournir sous cette forme spéciale un courant puisé d'environ 60 kA avec un temps de montée de 230 ps, la tension inverse maximale étant d'environ 12 kV. Ceci correspond au produit du nombre de thyristors mis en oeuvre par la tension inverse d'un thyristor. L'empilement de thyristors du commutateur 10 conçu conformément à l'invention possède, pour les applications en courant pulsé, les mêmes capacités électriques qu'un commutateur à thyristors conventionnel, étant à noter que l'encombrement du commutateur 16 est réduit à environ 15% de celui d'un dispositif traditionnel et qu'on peut se passer de quelconques circuits Snubber compliqués en raison de la faible inductivité du commutateur et de l'unité de gachette. Le schéma de principe d'une unité de gachette avantageusement utilisée est représenté en fig. 4, les différents composants étant représentés conformément aux normes. L'unité de gachette est déclenchable par des moyens optiques et peut donc être intégrée dans le circuit du thyristor (circuit à haute tension). L'alimentation en tension de l'unité de gachette a lieu à partir du circuit à haute tension. Les caractéristiques d'amorçage de deux unités de gachette quelconques de ce type sont représentées en fig. 5. Le taux de montée du courant de gachette se situe entre et 140 A/ps, de préférence environ 100 A/ps. Un taux de montée à ce point élevé est absolument nécessaire pour l'amorçage simultané des thyristors d'un empilement; on ne peut donc pas utiliser de circuits d'amorçage plus lents avec, par exemple des transformateurs de séparation pour le découplage du circuit à haute tension et du circuit d'amorçage. La différence de retard à l'allumage (Atz) de différentes unités de gachette devrait au moins être inférieure à la valeur nécessaire 9 2715249 pour la mise en circuit simultanée des thyristors, par exemple inférieure à 30 ns (cf. fig. 5). Cette valeur se situe ainsi en-dessous de la valeur de p.ex. 50 ns nécessaire à l'enclenchement simultané de l'empilement de thyristors. Un courant de gachette maximal, relativement faible, de 17 A p.ex., est suffisant pour l'amorçage fiable des thyristors. Par conséquent, l'unité de gachette est de préférence conçue de manière à ce que les retards à l'allumage (Atz) de différentes unités de gachette du même type soient inférieurs à 30 ns (voir figure 5) afin que, dans un circuit en série 1o composé de plusieurs thyristors, on puisse se passer d'un circuit protecteur lors du branchement (circuit RC, bobine de saturation). Il est donc avantageux que le taux de montée du courant de gachette soit d'au moins 80 A/ps. Les deux exigences sont remplies en utilisant un transistor VMOS (BUZ 60) comme composant central de l'unité de gachette. De plus, pour établir l'impulsion de gachette, on peut utiliser un circuit RC (10OnF, 1Q) dans l'unité de gachette. Le courant de gachette peut être fourni par un condensateur de 10 pF qui est chargé à partir du circuit principal par l'intermédiaire d'une diode Zener (Z30). L'unité de gachette peut être déclenchée optiquement par l'intermédiaire d'une fibre optique. On peut ainsi assurer une séparation de potentiel optimale entre le circuit principal et le circuit de déclenchement. 2715249 REVENDICATIONS 1. Dispositif de commutation particulièrement adapté aux tensions et courants élevés, notamment dispositif à thyristors possédant au moins deux contacts d'alimentation en courant (12, 22) ainsi que (14), tenant lieu d'anode ou de cathode, au moins un ensemble de thyristors et disques associés comportant un matériau semi-conducteur, dispositif caractérisé en ce que au moins deux ensembles de thyristors et disques associés (40, 44, 46) sont empilés, sachant que ces ensembles 1o de thyristors et disques associés (40, 44, 46) étant immédiatement adjacents, des disques intermédiaires (40, 40') les reliant entre eux étant, composés d'un matériau semi-conducteur ou le molybdène. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un ensemble de thyristors et disques associés déterminé, de préférence plusieurs ou tous les ensembles, comporte un thyristor (46), qui peut être mis en contact par un contact de gachette (50) avec une sortie de gachette (45). 3. Dispositif conforme à l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce qu'à certains, de préférence à chaque thyristor (46) correspond respectivement une prise d'anode ou de cathode (41, 40, 41', 40'). 4. Dispositif conforme à l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que le l'empilement de thyristors est maintenu entre au moins un poincçon (22) et/ou au moins une butée (14). 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le ou les poinçons (22) sont soumis à un effort de serrage exercé par au moins un dispositif à ressort (24). 6. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les empilements de thyristors sont installés dans un boîtier (16), de préférence isolant. 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que le boîtier (16) est au moins être rendu étanche au vide. -11- 2715249 8. Dispositif conforme à l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le boîtier (16) possède des joints d'étanchéité (20). 9. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les contacts de gachettes respectifs (50) sont serrés sur les thyristors respectifs (46) par des dispositifs élastiques ou à ressort (42). 10. Dispositif conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif élastique ou à ressort (42) possède un matériau polymère, en particulier un élastomère. 11. Dispositif conforme à l'une des revendications I à 10, caractérisé en ce que les séries de disques (40, 44, 46) sont faites du même matériau semi- conducteur, en particulier le silicium, ou de préférence le molybdène. 12. Dispositif conforme à l'une des revendications I à 11, caractérisé en ce que les gachettes respectives (50) des sous ensembles de thyristors (40, 44, 46)sont raccordées à un dispositif d'alimentation de gachette qui permet l'alimentation en courant de gachette des gachettes (50) en un court intervalle de temps, de préférence inférieur à 50 ns, notamment inférieur à 30 ns.