Brevet FR2718904A1 — publié le 19951020

COMMUTATEUR RAPIDE DE HAUTE TENSION A-AMPLIFICATEUR D'IMPULSIONS Domaine technique L'invention concerne un commutateur rapide de haute tension et plus particulièrement un commutateur de puissance comprenant des composants à grille isolée du type MOSFET, IGBT ou MCT capables de commuter rapidement des tensions continues importantes et montés en général en série dans un circuit électrique de haute tension. Le rôle du commutateur est de provoquer l'ouverture et la fermeture du circuit électrique en réponse à des impulsions de commande; Un tel commutateur peut être utilisé dans les domaines de l'électronique de puissance, de l'électronique impulsionnelle, dans des dispositifs de conversion d'énergie nécessitant la commutation de hautes tensions positives et négatives ainsi que dans des applications de type symétrique (push-pull) et de montages en pont. Etat de la technique antérieure On connait des commutateurs dans lesquels des dispositifs de commutation à transistors à effet de champ de type MOS montés en série dans un circuit sont commandés par un transformateur d'impulsions commun. Pour plus de détails quant au fonctionnement de ces appareil on peut se référer utilement, par exemple, à la demande de brevet européen EP-O 048 758. Un certain nombre de difficultés apparaissent toutefois avec les commutateurs connus de ce type, notamment pour la réalisation d'un isolement galvanique correct des enroulements du transformateur pour la haute tension. La lenteur des commutateurs, liée au temps de réponse important des dispositifs MOS montés en série, constitue un inconvénient supplémentaire. La lenteur de la réponse est proportionnelle à l'impédance des enroulements secondaires du transformateur et donc fonction du nombre de dispositifs MOS montés en série dans le circuit. Pour obtenir des temps de commutation très courts avec plusieurs dispositifs à grille isolée interconnectés en série, une synchronisation des impulsions de commande meilleure que 1 nanoseconde est souhaitable pour un équilibrage convenable des tensions élémentaires de chacun des dispositifs à grille isolée. Pour cette raison, un transformateur avec un seul ou quelques enroulements secondaires est préconisé. A ce sujet, le brevet allemand DE-36 30775 illustre la réalisation de commutateurs haute tension de trois types : des commutateurs avec ordre de mise en conduction commandé et largeur d'impulsion fixe, des commutateurs avec ordres de mise en conduction et de blocage issus des mêmes transformateurs d'impulsions et enfin, des commutateurs avec ordres de mise en conduction et de blocage issus de transformateurs d'impulsions distincts. Des commutateurs de ce type présentent néanmoins deux inconvénients essentiels. Tout d'abord, ils ne permettent pas de ralentir les commutations des dispositifs à grille isolée. Ceci empêche de maîtriser les vitesses de chute de tension et donc de limiter les courants de décharge des capacités parasites ou de commutation des diodes du dispositif de commutation. Le deuxième inconvénient est l'impossibilité de commander des dispositifs importants, car l'énergie fournie aux grilles des transistors du dispositif provient directement des impulsions de commande. Un but de la présente invention est justement de fournir un commutateur ne présentant pas les inconvénients mentionnés et ce quels que soient le nombre et le type des dispositifs de commutation à grille isolée utilisés. Plus précisément, le but de la présente invention est de fournir un commutateur à moindre coût avec une impédance particulièrement basse, avec une isolation galvanique élevée par rapport à la haute tension et avec une vitesse d'établissement de la commutation contrôlable à la mise en conduction et au blocage des dispositifs de commutation à grille isolée. Exposé de l'invention A cet effet, l'invention concerne un commutateur rapide de haute tension comportant au moins un dispositif de commutation d'un circuit de haute tension, au moins un transformateur d'impulsions avec une sortie apte à délivrer des impulsions de commutation pour le dispositif de commutation en réponse à des impulsions de commande fournie par des moyens de commande sur une entrée du transformateur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un moyen d'amplification des impulsions de commutation, connecté entre la sortie du transformateur et le dispositif de commutation, et aptes à fournir un courant de commande pour le dispositif de commutation en réponse aux impulsions de commutation. On entend par haute tension des tensions généralement supérieures à lkV. On désigne par ailleurs par "dispositif de commutation" un composant ou plusieurs composants associés capables d'ouvrir ou de fermer le circuit de haute tension. Comme le courant de commande du ou des dispositifs de commutation n'est pas fourni directement par le transformateur, mais par l'intermédiaire du moyen d'amplification, il est possible de commander des dispositifs de commutation quels que soient le type et le nombre de composants qu'ils comportent. Plusieurs de ces composants, qui sont par exemple du type MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), du type IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ou du type MCT (MOS Controlled Thyristor) peuvent par exemple être montés en parallèle pour former le dispositif de commutation. Ainsi, la taille des transformateurs d'impulsion peut être réduite, pour un nombre constant de composants, ce qui va dans le sens d'une plus grande facilité de réalisation et d'un coût réduit. Selon une réalisation avantageuse de l'invention, le commutateur peut comporter au moins un premier transformateur d'impulsions avec une entrée reliée à un premier moyen de commande dit de fermeture du circuit de haute tension, au moins un second transformateur d'impulsions avec une entrée reliée à un second moyen de commande dit d'ouverture du circuit de haute tension, le moyen d'amplification comportant des moyens de mémoire et un amplificateur de courant, les moyens de mémoire étant capables d'appliquer à l'amplificateur une première tension rémanente en réponse à une impulsion provenant du premier transformateur et une seconde tension rémanente en réponse à une impulsion provenant du second transformateur et l'amplificateur de courant étant capable de fournir un courant de commande respectivement de fermeture et d'ouverture pour le dispositif de commutation en réponse respectivement à la première et à la seconde tension rémanente. Grâce à la présence de deux transformateurs d'impulsions différents il est possible de communiquer de manière indépendante les ordres de fermeture et d'ouverture du circuit. La séparation des ordres de commande permet de faire fonctionner les commutateurs aussi bien pour des largeurs d'impulsion très courtes que pour de la conduction continue. On peut noter à ce sujet que des largeurs très courtes ne sont pas possibles lorsque les ordres de commande ne sont pas séparés. Selon un mode de mise en oeuvre intéressant, le moyen d'amplification peut comporter les moyens d'alimentation indépendants avec un troisième transformateur dont le côté primaire est relié à une ligne d'alimentation électrique indépendante. Grâce à ces mesures, l'énergie pour l'amplification est fournie indépendamment des impulsions de commutation. Selon le cas, le commutateur peut comprendre soit un seul dispositif de commutation soit une pluralité de dispositifs de commutation reliés respectivement à une pluralité de premiers et seconds transformateurs, respectivement par une pluralité de moyens d'amplification, la pluralité de premiers transformateurs étant reliée à un unique moyen de commande de fermeture de circuit et la pluralité de seconds transformateurs étant reliée à un unique moyen de commande d'ouverture de circuit. Cette dernière configuration peut aussi être comprise comme une chaîne de modules de commutateur comprenant chacun un seul dispositif de commutation, les modules étant associés en chaîne et les dispositifs de commutation correspondant étant branchés en série dans le circuit de haute tension. Selon une autre forme de réalisation encore, une pluralité de dispositifs de commutation peuvent également être reliés à un premier et un second transformateurs d'impulsions uniques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description de modes de réalisations qui va suivre, en référence aux dessins annexés. Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur des exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un commutateur selon l'invention avec différents éléments fonctionnels qu'il comporte, - les figures 2a à 2d sont des représentations schématiques de différentes configurations de dispositif de commutation destinés au commutateur selon l'invention, - la figure 3 est une représentation schématique d'une réalisation d'un commutateur selon l'invention comportant plusieurs dispositifs de commutation, - la figure 4 est une représentation schématique d'une autre réalisation d'un commutateur selon l'invention avec plusieurs dispositifs de commutation. Description détaillée de modes de réalisation Un dispositif de commutation à grille isolée qui porte la référence 2 sur la figure l est monté dans un circuit de haute tension 4 partiellement représenté, qu'il est susceptible successivement d'ouvrir et de fermer. Une borne de commande 6 du dispositif 2 est reliée aux étages secondaires 8b et 10b d'un premier 8 et d'un second 10 transformateurs d'impulsions à noyau torique par l'intermédiaire d'un moyen d'amplification d'impulsions 12. Le moyen 12 comporte des moyens de mémoire 14 capables d'appliquer une première tension rémanente à l'entrée 16 d'un amplificateur de courant 18 en réponse à une impulsion de commutation du premier transformateur d'impulsions 8, et une seconde tension rémanente en réponse à une impulsion du second transformateur d'impulsions 10 transmise par des moyens de "remise à zéro" 20. A cet effet, la mémoire 14 comporte un condensateur électrique 22 susceptible d'être chargé à la première tension rémanente par une impulsion venant du transformateur 8, et une diode de blocage 24 pour maintenir cette charge. Le condensateur 22 est par contre susceptible d'être déchargé par Les moyens de remise à zéro 20. Les moyens 20 comportent un transistor 26, de type NPN dont le collecteur 28 et l'émetteur 30 sont branchés en parallèle sur le condensateur 22 et qui est saturé lorsqu'un courant, fourni notamment par un condensateur 34, traverse sa base 32, suite à une impulsion de commutation provenant du transformateur d'impulsions 10. Le courant est appliqué à la base 32 par l'intermédiaire d'un condensateur d'accélération 33 et d'une résistance de base 35. Par ailleurs, on note sur la figure la présence d'une résistance 37 pour polariser la base du transistor. Le fonctionnement de moyens de mémoire est donc le suivant : lorsqu'une impulsion provient du transformateur 8, le condensateur 22 est chargé via la diode 24 et la première tension rémanente, qui est la tension de charge du condensateur 22 est appliquée à l'entrée 16 de l'amplificateur 18. Par contre lorsqu'une impulsion provient du transformateur 10, le transistor 26 est saturé et les bornes du condensateur 22 sont quasiment portées à un même potentiel. Le condensateur 22 est quasi instantanément déchargé et la seconde tension rémanente sensiblement égale à 0 volt est appliquée à l'entrée 16 de l'amplificateur 18. La séparation des ordres de commande permet d'éviter un dysfonctionnement du commutateur en cas de coïncidence temporelle des ordres de fermeture et d'ouverture du circuit de haute tension fournis respectivement par l'intermédiaire des transformateurs 8 et 10, car dans ce dernier cas l'ordre d'ouverture est prioritaire. Elle permet également d'obtenir des temps de conduction réglables allant d'une valeur très petite jusqu'à la conduction continue moyennant un rafraîchisseent des ordres de fermeture. L'amplificateur de courant 18, construit pour l'essentiel autour de deux transistors 36, 38 dont les bases sont reliées à la borne d'entrée 16 et qui est alimenté par des moyens d'alimentation 40 permettant de fournir l'énergie nécessaire à la commande du dispositif de commutation 2. Des résistances 42 et 44 relient respectivement les émetteurs des transistors 36 et 38 à la borne 6 du dispositif 2. Le choix de la valeur de la résistance 42 permet notamment d'ajuster la vitesse de mise en conduction des composants du dispositif de commutation 2 et la résistance 44 permet de régler la vitesse de blocage de ces composants. Les moyens d'alimentation 40 sont associés à un transformateur 46 dont le côté primaire est relié à un câble 48 parcouru par un courant alternatif et dont le côté secondaire est relié aux moyens d'alimentation 40 qui comprennent des moyens de redressement 50, des moyens de filtrage 52 et de stabilisation 54. Les moyens d'alimentation 40 sont reliés à l'amplificateur respectivement sur les collecteurs des transistors 36 et 38. I1 convient à présent de détailler aussi les moyens de commande du commutateur de l'invention. La commande est assurée par deux composants MOS ("Metal Oxide Semiconductor") 60 et 62 permettant de fournir respectivement des signaux de commande d'ouverture et de fermeture du circuit de haute tension. Les composants 60 et 62 sont montés respectivement dans des lignes formées par des câbles 64, 68 qui forment à leur tour les enroulements primaires 10a, 8a des transformateurs d'impulsions 10 et 8. Les lignes 64 et 68 sont reliées par ailleurs à une source de tension auxiliaire Vaux par l'intermédiaire de résistances Raux et capacités Caux. Les composants 60 et 62, en fermant les lignes électriques 64 ou 68, permettent d'envoyer respectivement les impulsions de commande d'ouverture ou de fermeture aux transformateurs 10 et 8. Les figures 2a à 2d illustrent différentes variantes de dispositifs de commutation 2 susceptibles d'être commandés par le commutateur. Les bornes 6, 70 et 72 représentent pour chaque variante illustrée respectivement une borne de commande de type grille, une borne de type drain et une borne de type source, en référence aux transistors à effet de champ usuels. Ces bornes également indiquées sur la figure 1 permettent en outre d'indiquer le sens de montage du dispositif 2 dans le commutateur. Les dispositifs 2 des figures 2a et 2b comportent un seul composant respectivement du type MOSFET et IGBT Les dispositifs 2 illustrés dans les figures 2c et 2d comportent trois composants identiques montés en parallèle et respectivement du type MOSFET et IGBT. I1 est évident que le nombre de composants à grille isolée que comporte le dispositif n'est pas limité à trois mais peut être choisi en fonction des nécessités de l'usage et de la destination du commutateur. Comme, grâce à l'invention, le courant de commande ne provient pas directement des transformateurs d'impulsions, le nombre de composants commandés n'est pas critique et est indépendant de la taille des transformateurs. Lorsque la tension du circuit de haute tension est importante, il peut en outre s'avérer nécessaire de recourir à plusieurs dispositifs de commutation branchés en série. Dans ce cas pour répartir convenablement les tensions élémentaires que chaque dispositif doit commuter, une excellente synchronisation des impulsions de commutation est souhaitable. Le commutateur représenté à la figure 3 illustre ce cas ou plusieurs dispositifs de commutation 2 sont branchés en série. Le commutateur de cette figure peut être compris comme l'association de trois commutateurs ou modules de commutateurs conformes à la représentation de la figure 1. Les éléments constitutifs comportent par voie de conséquence des références en correspondance avec celles de la figure 1. I1 apparaît que, pour mettre en série les dispositifs 2, la borne de type source 70 d'un premier dispositif de commutation 2 est reliée à la borne de type drain 72 du dispositif suivant. Le résultat est qu'un excellent isolement galvanique et un synchronisme des ordres de commande (fermeture et ouverture) meilleur que la nanoseconde sont réalisés par la paire de transformateurs d'impulsions 8, 10 à noyau torique associée à chacun des dispositifs en série. Le premier transformateur 8 est utilisé pour la transmission des ordres de fermeture et le deuxième 10 pour la transmission des ordres d'ouverture, de même que dans le cas précédent de la figure 1. Les enroulements primaires des transformateurs d'impulsions 8a, 10a sont constitués de deux uniques câbles 68, 64. Le premier câble 68 traverse tous les noyaux toriques des transformateurs d'impulsions de fermeture 8 et le deuxième câble 64 traverse tous les noyaux toriques des transformateurs d'impulsion d'ouverture 10. Les transformateurs tiennent de manière permanente l'isolement galvanique entre les signaux de commande et le commutateur du côté de la haute tension. Chaque paire d'enroulement secondaire 8b, 10b de fermeture et d'ouverture des transformateurs 8, 10 est associée à un dispositif à grille isolée 2. Les deux enroulements sont reliés respectivement à des moyens de mémoire 14 commandant la fermeture et à des moyens de remise à zéro 20 qui lorsqu'ils sont sollicités désactivent la "mémoire" de fermeture et ordonnent l'ouverture du dispositif 2 associé. Les signaux issus des moyens de mémoire 14 et de remise à zéro 20 n'attaquent pas directement le dispositif à grille isolée 2. Ils passent par un amplificateur de courant 18 dont la sortie commande le dispositif à grille isolée associé. Cette astuce permet de commander des composants de forte puissance. Lorsqu'une impulsion positive est délivrée à la borne d'entrée du composant 62 du câble 68, un courant pulsé s'établit dans ce câble et, en conséquence, une tension réglable, déterminée par le niveau de tension de la source auxiliaire Vaux, de l'ordre de 10 à 15 Volts s'établit simultanément en quelques nanosecondes sur chacun des moyens de mémoire 14 via les transformateurs 8. Cette tension est stockée et transmise aux grilles de commande des dispositifs de commutation 2 par l'intermédiaire des amplificateurs de courant 18. Ces derniers permettent de contrôler la vitesse d'apparition de la tension sur les grilles des composants à grille isolée de puissance des dispositifs 2 et donc leur vitesse de mise en conduction. L'énergie nécessaire à la commutation des composants à grille isolée provient non pas des moyens de mémoire mais des moyens d'alimentation 40. Le nombre de commutateurs ou de modules de commutateurs qu'il est possible d'associer selon le modèle de la figure 3 n'est bien entendu pas limité à trois mais peut être adapté en fonction des nécessités de l'utilisation. La figure 4 montre une variante de réalisation d'un commutateur où plusieurs dispositifs de commutation 2 sont branchés en série. L'utilisation de références identiques pour des parties en correspondance avec les illustrations des figures précédentes permet de se reporter aux explications de ces figures quand à leur fonctionnement. Sur le commutateur de la figure 4, chaque transformateur d'impulsions 8 et 10, ainsi que le transformateur 46, comporte un enroulement primaire, respectivement 8a, 10a, 46a plusieurs enroulements secondaires, respectivement 8b, 10b, 46b. Chaque enroulement secondaire respectivement 8b, 10b, 46b est associé à respectivement des moyens de mémoire 14, des moyens de remise à zéro 20 et à des moyens d'alimentation. Une impulsion sur le câble 68 provoque une impulsion de commande sur l'enroulement primaire 8a du transformateur 8 et par conséquent des impulsions de commutations de fermeture dirigés vers tous les dispositifs 2 (en série) via les moyens 14 et 18 respectivement associés. De même, une impulsion sur le cable 64 provoque l'ouverture de tous les dispositifs 2. Les moyens d'alimentation 40 sont fournis en énergie également par un unique transformateur 46. Lorsque les transformateurs ne comportent qu'un seul enroulement secondaire comme aux figures 1 et 3, l'isolement galvanique ne pose pas de problèmes : il est obtenu par les cables primaires des transformateurs, le noyau torique en matériau magnétique de chaque transformateur étant dans ce cas respectivement relié électriquement au secondaire du transformateur. Dans le cas du commutateur de la figure 4, il convient par contre d'isoler entre eux les enroulements secondaires. Toutefois, la réduction du nombre de transformateurs, par rapport aux commutateurs des figures précédentes permet de diminuer considérablement leur poids et. leur encombrement. Ceci étant d'autant plus important que le nombre de dispositifs de commutation mis en série est grand. REVENDICATIONS 1. Commutateur rapide de haute tension comportant au moins un dispositif de commutation (2) d'un circuit de haute tension (4), au moins un transformateur d'impulsions (8, 10) avec une sortie (8b, 10b) apte à délivrer des impulsions de commutation pour le dispositif de commutation (2) en réponse à des impulsions de commande fournies par des moyens de commande (60, 62) sur une entrée du transformateur (8a, 10a), caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un moyen d'amplification (12) des impulsions de commutation, connecté entre la sortie du transformateur (8b, 10b) et le dispositif de commutation (2), et apte à fournir un courant de commande pour le dispositif de commutation (2) en réponse aux impulsions de commutation. 2. Commutateur rapide de haute tension selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier transformateur d'impulsions (8) avec une entrée (8a) reliée à un premier moyen de commande (62) dit de fermeture du circuit de haute tension, au moins un second transformateur d'impulsions (10) avec une entrée (10a) reliée à un second moyen de commande (60) dit d'ouverture du circuit de haute tension, le moyen d'amplification (12) comportant des moyens de mémoire (14) et un amplificateur de courant (18), les moyens de mémoire (14) étant capables d'appliquer à l'amplificateur (18) une première tension rémanente en réponse à une impulsion du premier transformateur (8) et une seconde tension rémanente en réponse à une impulsion du second transformateur (10) et l'amplificateur de courant étant capable de fournir un courant de commande respectivement de fermeture et d'ouverture pour le dispositif de commutation (2) en réponse respectivement à la première et à la seconde tension rémanente. 3. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de mémoire comportent un condensateur électrique (22) chargé à la première tension par chaque impulsion de commutation du premier transformateur (8) et déchargé à la seconde tension rémanente en réponse à une impulsion du second transformateur (10), par des moyens (20) dits de "remise à zéro" connectés entre le second transformateur (10) et les moyens de mémoire (14). 4. Commutateur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le moyen d'amplification comporte des moyens (40) d'alimentation indépendante avec un troisième transformateur (46) branché entre une ligne d'alimentation électrique (48) et l'amplificateur de courant (18). 5. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les premier, second et troisième transformateurs (8, 10, 46) sont des transformateurs à noyau torique. 6. Commutateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de: commutation (2) comporte au moins un composant semi-conducteur à grille isolée choisi parti les composants du type IGBT, MOSFET et MCT. 7. Commutateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de commutation (2) comporte une pluralité de composants semi-conducteurs à grille isolée branchés en parallèle. 8. Commutateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de dispositifs de commutation (2) reliés respectivement à une pluralité de premiers et seconds transformateurs (8, 10), respectivement par une pluralité de moyens d'amplification (12), la pluralité de premiers transformateurs (8) étant reliée à un unique moyen de commande de fermeture de circuit (60) et la pluralité de seconds transformateurs (10) étant reliée à un unique moyen de commande d'ouverture de circuit (62). 9. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de dispositifs de commutation (2) reliés respectivement à un unique premier transformateur (8) et un unique second transformateur (10) respectivement par une pluralité de moyens d'amplification (12). 10. Commutateur selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la pluralité de dispositifs de commutation (2) est respectivement branchée en série dans le circuit de haute tension (4).