Brevet FR2733648A1 — publié le 19961031

"Relais statique protégé" L'invention se rapporte à un relais statique protégé contre les surcharges en courant et les courts-circuits susceptibles d'intervenir sur la charge, commandable au blocage; elle concerne notamment un perfectionnement permettant de protéger automatiquement la cellule de commutation des surtensions survenant à la coupure du courant dans la charge. On connaît de nombreux circuits à semi-conducteurs assurant la fonction d'un relais électromécanique classique, c'est-à-dire capable d'établir ou interrompre sur commande le courant dans une charge. De tels circuits sont appelés relais statiques. La cellule de commutation est le circuit électronique de puissance, comportant un ou plusieurs composants semi-conducteurs, qui se trouve connecté en série avec la charge. Les composants semiconducteurs disponibles sont essentiellement de deux sortes: les transistors susceptibles de fonctionner en commutation entre deux états "bloqué" et "passant" mais aussi de fonctionner en mode linéaire et les interrupteurs statiques (thyristors, triacs), uniquement capables de passer d'un état bloqué à un état passant. L'un des problèmes qui se pose dans la définition d'un relais statique du genre mentionné ci-dessus est celui de l'absorption de l'énergie électromagnétique stockée dans le circuit de la charge et de la ligne de distribution d'énergie, au moment de l'ouverture dudit relais. En effet, selon la nature du circuit de la charge, il s'agit, après commutation d'ouverture, d'absorber l'énergie électrique stockée dans les inductances auxquelles est raccordée la cellule de commutation. Des surtensions, même brèves, aux bornes de ladite cellule de commutation, peuvent alors détruire les composants semi-conducteurs. L'invention permet notamment de résoudre ce problème. L'un des buts de l'invention est de proposer un relais statique de grande fiabilité, protégé automatiquement des surtensions qui pourraient être engendrées aux bornes de la cellule de commutation à l'ouverture de celle-ci pendant le temps d'absorption de l'énergie stockée dans le circuit de charge. A cet effet, l'invention concerne un relais statique protégé contre les surcharges en courant et les courtscircuits susceptibles d'intervenir sur la charge, du type comprenant une cellule de commutation comportant au moins un composant semi-conducteur capable de fonctionner en mode linéaire en tant qu'élément de coupure de courant de charge, ledit composant semi-conducteur comportant une électrode de commande telle qu'une base et deux électrodes de puissance telles qu'un émetteur et un collecteur, caractérisé en ce qu'il comporte:: - un circuit d'autolimitation de la tension entre les deux électrodes de puissance dudit composant semiconducteur, établi entre ladite électrode de commande et une électrode de puissance de celui-ci, et - un circuit de dérivation commandé à déclenchement autonome connecté en parallèle aux bornes de ladite cellule de commutation, comprenant un branchement en série d'une varistance ou analogue et d'un interrupteur statique commandé dont la gâchette est pilotée par un circuit de détection d'un seuil de tension prédéterminé aux bornes de ladite cellule de commutation. Ainsi, l'invention est remarquable par le choix judicieux d'un type d'élément semi-conducteur pour former la cellule de commutation (en l'occurrence un transistor capable de fonctionner en mode linéaire) et par son association aux deux circuits mentionnés, à savoir le circuit d'autolimitation qui exerce ses effets dès l'ouverture de ladite cellule de commutation et ledit circuit de dérivation qui vient ensuite connecter automatiquement la varistance en parallèle sur ladite cellule de commutation. On choisit de préférence un type de transistor dit "IGBT" ou un transistor MOS. Un autre but de l'invention est de proposer des moyens de déclenchement automatique d'ouverture de la cellule de commutation en cas d'anomalie de fonctionnement. Plus précisément, le relais statique peut comporter au moins une boucle de sécurité établie entre un moyen de mesure du courant traversant ladite charge, comme par exemple un shunt connecté à ladite cellule de commutation, et un circuit de commande de ladite cellule de commutation. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de plusieurs exemples de relais statiques conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe de la cellule de commutation d'un interrupteur statique autoprotégé, pour une charge alimentée en courant continu; - la figure 2 est un schéma de principe de la cellule de commutation d'un interrupteur statique autoprotégé, pour une charge alimentée en courant alternatif monophasé; et - la figure 3 est un schéma de principe d'une autre partie du relais statique, compatible avec l'une des cellules de commutation des figures 1 et 2, montrant plus particulièrement les boucles de sécurité mises en oeuvre pour provoquer une ouverture automatique du relais en cas de défaut sur le courant de la charge. Sur la figure 1, une charge 11, alimentée en courant continu par une source de tension V+/V-, est reliée à une cellule de commutation 12 d'un relais statique. La figure 1 ne montre que la partie de puissance de ce relais, y compris le circuit de pilotage 13 de la cellule de commutation, le reste du relais apparaît sur la figure 3. La cellule de commutation comporte un composant semiconducteur capable de fonctionner en mode linéaire. Il s'agit d'un transistor T qui comprend donc une électrode de commande, la base (ou la grille) connectée à la sortie du circuit de pilotage 13 et deux électrodes de puissance, un collecteur, ici connecté à la charge et un émetteur, ici connecté à un shunt S. La branche de circuit constituée par la connexion en série de la charge 11, de la partie de puissance du transistor T et du shunt S, est branchée aux bornes de la source de tension V+/V-. Le pôle négatif de cette source, relié au shunt S constitue le potentiel de référence ou masse de toute l'électronique de mesure (figure 3). La tension Vs prélevée aux bornes du shunt est donc représentative du courant s'écoulant dans la charge 11 lorsque le relais statique est fermé (c'est-à-dire lorsque le transistor T est saturé).Le transistor T peut être un transistor à grille isolée commandée en tension, dit "transistor IGBT" ou un transistor MOS, voire un transistor bipolaire commandé en courant. Dans la suite de la description, l'électrode de commande sera néanmoins appelée base. La cellule de commutation est complétée par un circuit 14 d'autolimitation de la tension entre les deux électrodes de puissance du transistor T (c'est-à-dire le collecteur et l'émetteur) et par un circuit de dérivation commandé 16 à déclenchement autonome, connecté en parallèle aux bornes de la cellule de commutation, en l'occurrence ici, entre le collecteur et l'émetteur du transistor T. Le circuit d'autolimitation est connecté entre la base et le collecteur du transistor T. Il comprend deux diodes en série; une diode D1 dont la cathode est connectée à la base du transistor T et une diode Zener Z1 dont la cathode est connectée au collecteur de ce même transistor. La diode D1 permet d'éviter un court-circuit base-collecteur en cas de polarisation directe de la diode Zener Z1. Du fait que le transistor T peut fonctionner en mode linéaire, la diode Z1 permet au transistor de s'autoprotéger contre les surtensions passagères et de faible énergie. Surtout, cette protection est effective sans retard, à l'ouverture du relais statique. Ce dispositif permet donc de protéger de manière instantanée le transistor T entre l'instant du début du blocage du transistor T et celui où le circuit de dérivation 16 entre effectivement en action. Ce circuit de dérivation 16 comprend un branchement en série d'une varistance V ou composant non linéaire analogue et d'un interrupteur statique commandé, en l'occurrence ici un thyristor Th. La gâchette de ce dernier est pilotée par un circuit 18 de détection d'un seuil de tension prédéterminé aux bornes de la cellule de commutation.Dans l'exemple, ce circuit comprend un branchement en série d'une diode Zener Z3 et d'une résistance R de limitation de courant. Il est connecté entre une borne de ladite cellule de commutation, en l'occurrence ici le collecteur du transistor T et la gâchette du thyristor. Par mesure de sécurité, une diode non représentée peut être connectée entre l'émetteur et le collecteur du transistor T pour éviter l'application d'un potentiel négatif entre le collecteur et l'émetteur du transistor. Le montage qui vient d'être décrit permet de protéger efficacement le transistor T contre les surtensions qui accompagnent la coupure du courant en raison de l'énergie électromagnétique stockée dans les inductances présentes dans le circuit de la charge et dans celui de la ligne chargée d'apporter l'énergie à la charge. En fonctionnement normal, la varistance est isolée du réseau par le thyristor bloqué. Lorsque la tension entre collecteur et émetteur du transistor T devient supérieure à la tension inverse de la diode Zener Z3, le thyristor est commandé automatiquement à la fermeture et connecte la varistance directement aux bornes de la cellule de commutation 12. Le courant de gâchette du thyristor est limité par la résistance R.Comme mentionné précédemment, le circuit d'autolimitation de tension 14 intervient efficacement entre l'instant du début du blocage du transistor T et l'instant où la varistance est effectivement connectée aux bornes de la cellule de commutation, après amorçage du thyristor. La varistance est de préférence une varistance à oxyde de zinc capable de supporter des énergies élevées. On choisit une varistance de calibre en tension adapté au calibre en tension du transistor T. Le calibre de ce dernier peut être sousdimensionné par rapport à ce qui serait nécessaire avec un circuit classique. La figure 2 décrit un circuit comparable à celui de la figure 1 adapté pour le cas où la charge lla doit être alimentée en courant alternatif. Dans ce cas, la cellule de commutation comporte deux composants semi-conducteurs précités, à savoir deux transistors IGBT T1 et T2. Les circuits de puissance de ces deux transistors sont connectés en série et en sens inverse puisque leurs deux émetteurs sont directement reliés l'un à l'autre. Dans le montage de la figure 2, les composants analogues à ceux de la figure 1 portent les mêmes références. Un circuit d'autolimitation D1-Z1 est donc connecté entre la base et le collecteur du transistor T1 et un circuit d'autolimitation D2-Z2 est connecté entre la base et le collecteur du transistor T2.Le circuit de pilotage 13 a sa sortie connectée aux deux bases des transistors T1 et T2. Deux diodes dites "de roue libre" sont respectivement montées en antiparallèle entre collecteur et émetteur des transistors T1 et T2. Cependant, le shunt S est connecté entre les émetteurs communs des transistors T1 et T2 et les anodes communes des diodes D3 et D4 qui sont par ailleurs reliées à la masse de l'électronique de commande. Le courant qui traverse le shunt est toujours positif, ce qui donne une image du courant redressé aux bornes du shunt. La tension Vs est donc disponible au point de liaison des émetteurs de T1 et T2. Les diodes D1 et D2 permettent d'éviter de court-circuiter le potentiel de la base lorsque T1 et T2 sont passants, respectivement.Le circuit de dérivation commandé à déclenchement autonome 16a comprend, une varistance V en série avec un triac Tr (qui remplace le thyristor). Le circuit de détection d'un seuil de tension prédéterminé 18a comprend cette fois deux diodes Zener Z3, Z4 connectées en série et en sens inverse et une résistance de limitation de courant R, comme précédemment. La diode Zener Z3 protège le transistor T1 contre les surtensions en provoquant l'amorçage du triac dans son premier quadrant. La diode Zener Z4 protège le transistor T2 contre les surtensions en provoquant l'amorçage du triac dans son troisième quadrant. Les diodes Zener Z1 et Z2 assurent une limitation de la tension aux bornes des transistors T1 et T2, comme précédemment. On va maintenant décrire en référence à la figure 3 l'ensemble des boucles de sécurité établies entre le shunt S et l'entrée du circuit de pilotage 13, pour provoquer la coupure du relais statique automatiquement en cas de détection de certains défauts. Le schéma de la figure 3 ne tient donc pas compte des moyens de commande volontaire de fermeture et de coupure du relais. Dans l'exemple décrit, on a prévu trois boucles de sécurité agencées en parallèle entre le point de mesure du shunt S où se trouve disponible la tension Vs et des entrées respectives d'une porte OU 20. La sortie de cette porte est reliée à une mémoire M chargée de mémoriser l'apparition du défaut, laquelle commande le circuit de pilotage 13. La boucle de sécurité 22 est un circuit de détection d'une surcharge prolongée modérée de courant. Elle comporte un premier moyen comparateur 23 dont une entrée reçoit le signal Vs et dont l'autre entrée est reliée à un générateur de tension 24 délivrant un premier signal de référence représentatif d'un niveau de courant de surcharge modéré. La boucle de sécurité 22 est complétée par des moyens pour déterminer la persistance d'une telle surcharge modérée. Ces moyens sont connectés entre la sortie du premier moyen comparateur 23 et l'une des entrées de la porte OU 20. Ils comportent un circuit intégrateur comprenant une résistance 25, une diode D5 et un condensateur 26. Le signal délivré par le comparateur 23 permet de charger le condensateur 26. Dans le même temps, celui-ci est déchargé par une résistance de décharge 27 montée en parallèle. La tension développée par le condensateur 26 est appliquée à une entrée d'un second moyen comparateur 28. L'autre entrée de ce second moyen comparateur est connectée à une seconde source de tension 29 délivrant un second signal de référence prédéterminé, image de la contrainte maximale supportable par le relais. Ainsi, lorsque la valeur du courant dépasse le seuil déterminé par la source 24, le comparateur 23 bascule et autorise la charge du condensateur 26 à travers la résistance 25 et la diode D5. Cette dernière empêche la décharge du condensateur à travers la résistance 25 si la sortie du comparateur 23 change momentanément d'état. Lorsque l'état de la charge du condensateur C, en dépit de la décharge à travers la résistance 27, atteint une valeur telle que la tension à ses bornes dépasse le seuil défini par la source 29, le comparateur 28 change d'état et provoque l'ouverture de la cellule de commutation via la porte OU 20, la mémoire M et le circuit de pilotage 13. La constante de temps de décharge du condensateur 26 par la résistance 27 est notablement supérieure à la constante de temps de charge du condensateur 26 à travers la résistance 25. Une autre boucle de sécurité 30 est un circuit de détection d'une mise en court-circuit de la charge. Dans ce cas, il s'agit de détecter une augmentation rapide et anormale du courant qui traverse le shunt. La boucle de sécurité 30 comporte un moyen dérivateur 31 recevant le signal Vs. La sortie de ce dérivateur est reliée à une entrée d'un troisième moyen comparateur 32 dont la sortie est connectée à une autre entrée de la porte OU 20. L'autre entrée du comparateur 32 est reliée à une source de tension 33 délivrant un troisième signal de référence représentatif d'une vitesse de croissance de courant prédéterminé. Lorsque la tension développée par le moyen dérivateur 31 fait basculer le comparateur 32, il en résulte un changement d'état de la mémoire M et une ouverture du relais statique. Enfin, une autre boucle de sécurité 35 est un circuit de détection de forte surcharge de courant comportant un quatrième moyen comparateur 36 dont une entrée reçoit le signal Vs et dont autre entrée est reliée à une source de tension 37 délivrant un quatrième signal de référence représentatif d'un niveau de courant de surcharge élevé. La sortie du moyen comparateur 36 est reliée à une troisième entrée de la porte OU 20. La boucle 35 permet de s'affranchir du cas où le courant traversant le relais présente une vitesse de croissance inférieure à celle détectable par la boucle 30, mais où la vitesse de réaction de la boucle 22 n'est pas suffisante pour protéger efficacement le relais. REVENDICATIONS 1- Relais statique protégé contre les surcharges en courant et courts-circuits susceptibles d'intervenir sur la charge, du type comprenant une cellule de commutation (12) comportant au moins un composant semi-conducteur (T-T1, T2) capable de fonctionner en mode linéaire en tant qu'élément de coupure de courant de charge, ledit composant semiconducteur comportant une électrode de commande telle qu'une base et deux électrodes de puissance telles qu'un émetteur et un collecteur, caractérisé en ce qu'il comporte:: - un circuit (14) d'autolimitation de la tension entre les deux électrodes de puissance dudit composant semiconducteur, établi entre ladite électrode de commande et une électrode de puissance de celui-ci, et - un circuit de dérivation commandé (16-16a) à déclenchement autonome connecté en parallèle aux bornes de ladite cellule de commutation, comprenant un branchement en série d'une varistance (V) ou analogue et d'un interrupteur statique commandé dont la gâchette est pilotée par un circuit de détection d'un seuil de tension prédéterminé aux bornes de ladite cellule de commutation. 2- Relais statique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de détection d'un seuil de tension comprend au moins une diode Zener (Z3-Z3, Z4) connectée entre une borne de ladite cellule de commutation et ladite gâchette et de préférence une résistance de limitation de courant connectée en série avec ladite diode Zener. 3- Relais statique selon la revendication 1 ou 2 pour une charge alimentée en courant continu, caractérisé en ce que les électrodes de puissance dudit composant semiconducteur sont reliées aux bornes de ladite cellule de commutation (12). 4- Relais statique selon la revendication 1 ou 2, pour une charge alimentée en courant alternatif, caractérisé en ce que ladite cellule de commutation comporte deux composants semi-conducteurs (T1, T2) précités, connectés en série et en sens inverse et deux diodes dites "de roue libre" (D3, D4) respectivement montées en antiparallèle entre les électrodes de puissance desdits composants semiconducteurs. 5- Relais statique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou chaque composant semi-conducteur précité est un transistor IGBT ou un transistor MOS. 6- Relais statique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une boucle de sécurité (22, 30, 35) établie entre un moyen de mesure du courant traversant ladite charge, comme par exemple un shunt (S) connecté à ladite cellule de commutation, et un circuit de commande (13) de ladite cellule de commutation. 7- Relais statique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une telle boucle de sécurité (22) est un circuit de détection d'une surcharge permanente modérée de courant, comportant un premier moyen comparateur (23) pour comparer le signal délivré par ledit moyen de mesure et un premier signal de référence représentatif d'un niveau de courant de surcharge modérée et des moyens pour déterminer la persistance de ladite surcharge modérée. 8- Relais statique selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens pour déterminer la persistance de ladite surcharge modérée comportent un circuit intégrateur comprenant un condensateur (26) chargé par ledit premier moyen comparateur, une résistance de décharge dudit condensateur et un second moyen comparateur (28) pour comparer le signal délivré par ledit circuit intégrateur et un second signal de référence prédéterminé. 9- Relais statique selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'une telle autre boucle de sécurité est un circuit de détection (30) d'une mise en court-circuit de la charge, comportant un moyen dérivateur (31) recevant le signal délivré par ledit moyen de mesure et un troisième moyen comparateur pour comparer ledit signal délivré par ledit moyen dérivateur et un troisième signal de référence représentatif d'une vitesse de croissance de courant prédéterminée. 10- Relais statique selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'une telle autre boucle de sécurité est un circuit de détection (35) de forte surcharge de courant comportant un quatrième moyen comparateur pour comparer le signal délivré par ledit moyen de mesure et un quatrième signal de référence représentatif d'un niveau de courant de surcharge élevé.