Brevet FR2730356A1 — publié le 19960809

CIRCUIT DE COUPURE RAPIDE DE COURANT DANS UN INTERRUPTEUR A HAUTE TENSION DESCRIPTION L'invention se rapporte à un circuit de coupure rapide de courant dans un circuit de dissipation ou de passage de courant qui est uni à un circuit de commande (ou interrupteur) comprenant une succession d'interrupteurs en nombre quelconque. Une application privilégiée de l'invention concerne les circuits soumis à des tensions de plusieurs kilovolts, destinés à la circulation de courants intenses, de plusieurs ampères, sous forme d'impulsions répétées et dont les durées de montée et de descente en tension doivent être rapides, de l'ordre de quelques nanosecondes. Dans de telles conditions, on utilise des transistors comme interrupteurs. Quand les tensions aux bornes du circuit de commande sont élevées, il convient de disposer plusieurs interrupteurs en série dont chacun supporte une fraction de la tension. Si de plus on veut des durées de conduction qu'on peut maîtriser et choisir à volonté, il faut préférer des transistors tels que ceux de la technologie MOS-FET (transistors à effet de champ à grille isolée par un oxyde métalliques), mais on observe que les temps de commutation entre l'état passant et l'état bloquant, relativement importants avec ces transistors, provoquent un temps de commutation beaucoup plus long à l'ouverture du circuit de commande, en fonction du nombre de transistors.Cela a pour conséquence que le courant ne diminue que relativement lentement dans le circuit de dissipation quand l'ouverture des interrupteurs est commandée. Si le temps d'ouverture ou de fermeture totale d'un transistor est de trois nanosecondes, on observe qu'avec douze transistors en série, le temps de fermeture reste le même, mais que le temps d'ouverture devient cent trente nanosecondes, ce qui peut être jugé comme étant excessif. L'invention a pour but de réduire ce temps d'ouverture du circuit de dissipation. Elle repose sur la conclusion que les transistors sont commutés successivement sur le circuit de commande et qu'il est avantageux d'ajouter un circuit supplémentaire, qu'on appellera un "circuit de coupure", commandé par un générateur de tension et par un interrupteur propre et constitué pour rendre à la fois les transistors bloquants. De façon plus rigoureuse, elle consiste en un circuit de coupure rapide de courant dans un circuit de dissipation uni à un circuit de commande comprenant une succession d'interrupteurs en série, les interrupteurs étant constitués chacun par un transistor muni de deux bornes de passage de courant et d'une gâchette reliée à une des bornes de passage par une ligne de commande munie d'une résistance, le transistor étant passant quand une différence de potentiel de signe déterminé existe entre la gâchette et la borne de passage de courant qui lui est reliée, circuit caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de tension commandé par un interrupteur supplémentaire et des lignes électriques de coupure reliées aux lignes de commande en court-circuitant les résistances, le générateur de tension étant branché pour appliquer une différence de potentiel de signe opposé au signe déterminé entre les gâchettes et les bornes de passage de courant qui leur sont reliées. L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide des figures suivantes, annexées à titre illustratif et non limitatif - la figure 1 est une vue globale du circuit de dissipation, du circuit de commande et du circuit de coupure rapide conforme à l'invention ; et - les figures 2A, 2B et 2C sont des diagrammes temporels qui illustrent le fonctionnement de l'invention. Le circuit de dissipation 1, qui n'est que partiellement représenté, est résumé ici par un drain 2 servant d'anode et une source 3 servant de cathode et qui sont réunis par un circuit de commande 4 composé d'une ligne principale 5 porteuse de douze transistors 6 en série (de technologie Mosfet) et d'une ligne secondaire 7 porteuse de résistances 8 dont chacune est parallèle à un des transistors 6 et sert à fixer des potentiels constants aux bornes de chaque transistor 6. Les lignes de raccord 9 relient les lignes principale et secondaire 5 et 7 entre chaque paire de transistors 6 et chaque paire de résistance 8. Chacun des transistors 6 comprend une première borne de passage de courant 10 dirigée vers la source 3, une seconde borne de passage de courant 11 dirigée vers le drain 2 et une gâchette 12. Les premières bornes de passage de courant 10 de chaque transistor 6 sont reliées à la seconde borne de passage de courant 11 du transistor 6 immédiatement voisin, en direction de la source 3, sauf pour les transistors 6 extrêmes, dont une des bornes est reliée directement à la source 3 ou au drain 2. Cet agencement est complété par une ligne de commande 13 pour chaque transistor 6, qui relie sa gâchette 12 à la ligne principale 5 du circuit de commande 4, près de la première borne de passage de courant 10 du même transistor 6. Une résistance 14 est installée sur les lignes de commande 13, ainsi qu'un condensateur 15 branché entre la gâchette 12 et la masse. Une exception est prévue pour le transistor 6 situé près de la source 3, dont la gâchette 12 est reliée à un générateur de tension de commande 16. Les transistors 6 deviennent passants quand la gâchette 12 est à un potentiel plus élevé que la première borne de passage de courant 10. Quand le générateur de tension de commande 16 est activé pour fournir une tension positive à la gâchette 12 du transformateur 6 adjacent à la source 3, ce transistor 6 devient passant et la première borne de passage de courant 10 du transistor 6 voisin est mise au potentiel de la source, mais il n'en va pas de même de sa gâchette 12 à cause de la résistance 14 et du condensateur 15 : la gâchette 12 se met à un potentiel plus élevé et le transistor 6 devient passant à son tour ; la première borne de passage de courant 10 du transistor 6 suivant est mise au potentiel de la source, et les transistors 6 deviennent ainsi passants les uns après les autres.Quand ils sont tous passants, le courant circule entre le drain 2 et la source 3 par la ligne principale 5. Mais les résistances 14 et les condensateurs 15 ralentissent l'écoulement des charges accumulées sur les gâchettes 12 quand l'ouverture du circuit de commande 4 est décidée, ce qui explique que la durée d'ouverture s'accroît avec le nombre de transistors 6. On ajoute donc, d'après l'invention, les éléments encore à décrire de cette représentation. Il s'agit d'un circuit de coupure rapide, globalement référencé par 20, qui comprend un second générateur de tension 21, un interrupteur supplémentaire 22 se présentant sous la forme d'un autre transistor de technologie Mosfet, et des branches de coupure 23 associées à chacune des lignes de commande 13. Le générateur de tension 21 est branché à la gâchette du transistor 22, dont les bornes de passage de courant sont reliées à une source de potentiel positif 24 et à la masse. Une ligne de distribution 25 relie chacune des branches de coupure 23 à un condensateur 26, dont le côté opposé est raccordé à la source de tension positive 24 et à la borne de passage de courant correspondante du transistor 22. Comme chacune des branches de coupure 23 comprend un primaire de transformateur 27 dont les bornes sont reliées à la ligne de distribution 25 et à la masse, le passage du transistor 22 à l'état passant décharge le condensateur 26 jusque-là alimenté par la source 24 vers la masse et, par contrecoup, un courant électrique impulsionnel parcourt les primaires de transformateur 27 entre la masse et le condensateur 26.Il en résulte la création d'un courant dans les enroulements secondaires 28 des transformateurs, dont les bornes sont situées sur des boucles 29 reliées à des transistors de coupure 30 identiques aux transistors 6 par leur fonctionnement et, plus précisément, à leurs gâchettes 12' et à leurs premières bornes de passage de courant 10'. Le courant ainsi produit rend les transistors de coupure 30 passants. Or les bornes de passage du courant 10' et 11' des transistors de coupure 30 sont branchées aux lignes de commande 13, parallèlement aux résistances 14 qui sont donc court-circuitées alors. Le fonctionnement du circuit de coupure 20 commence dès que le générateur de tension de commande 16 devient inactif : la tension de commande est donnée dans le second générateur 21, les transistors de coupure 30 deviennent presque aussitôt passants et laissent s'écouler sans délai les charges électriques accumulées sur les gâchettes 12. Les transistors 6 se bloquent rapidement et simultanément. Les transformateurs dont on a défini les enroulements primaires et secondaires 27 et 28 sont destinés à écrêter les pointes de tension vers les transistors de coupure 30, qui ne résistent pas à de hautes tensions et doivent être protégés. Il s'agit donc de transformateurs à saturation dont le rapport des tensions est choisi indifféremment et peut être égal à un. Chacune des branches de coupure 23 est en outre munie d'une résistance 31 et d'une diode 32 jetées sur les boucles 29 en parallèle aux secondaires 28. Cette circonstance permet de ne rendre les transistors de coupure 30 passants que quand les transformateurs sont effectivement commandés et d'éviter ainsi de bloquer accidentellement les transistors 6. Mais les diodes 32 permettent les retours de courant vers les gâchettes 12' des transistors de coupure 30, ce qui les bloque, dès que les transformateurs reviennent au repos. Le fonctionnement du système est schématisé sur les figures 2, qui concernent des évolutions de tension en fonction du temps. La figure 2A représente la tension de commande (Von) délivrée par le premier générateur 16 (une impulsion de 20 volts ici, donnée et interrompue presque immédiatement) ; la figure 2C représente la tension (Vout) dans le circuit de dissipation 1 et plus précisément au drain 2 : il prend le potentiel de la source 3 dès que la tension de commande est donnée, avec seulement un très petit retard, mais il ne revient au potentiel de repos qu'après un temps beaucoup plus long représenté par le front F d'ouverture de circuit en l'absence de l'invention. Si le circuit de coupure 20 est ajouté, le front F est remplacé par le front F' beaucoup plus vertical. La tension de commande (Voff) délivrée par le second générateur 21 est donnée sur la figure 2B: il s'agit d'une impulsion assez brève (quelques centaines de nanosecondes) qui commence dès l'arrêt de celle du premier générateur 2A et a une intensité comparable (ici, 20 volts également). REVENDICATIONS 1. Circuit de coupure (30) rapide de courant dans un circuit de dissipation (1) uni à un circuit de commande (4) à haute tension comprenant une succession d'interrupteurs (6) en série, les interrupteurs étant constitués chacun par un transistor muni de deux bornes de passage de courant (10, 11) et d'une gâchette (12) reliée à une des bornes de passage (10) par une ligne de commande (13) munie d'une résistance (14), le transistor étant passant quand une différence de potentiel de signe déterminé existe entre la gâchette et la borne de passage de courant qui lui est reliée, circuit caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de tension (21) commandé par un interrupteur supplémentaire (22) et des lignes électriques de coupure (23) reliées aux lignes de commande (13) en court-circuitant les résistances (14), le générateur de tension (21) étant branché pour appliquer une différence de potentiel de signe opposé au signe déterminé entre les gâchettes (12) et les bornes de passage de courant (10) qui leur sont reliées. 2. Circuit de coupure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lignes électriques de coupure (23) comprennent des transistors de coupure (30) en parallèle aux résistances (14) et rendus passants quand le générateur de tension (16) applique une différence de potentiel de signe opposé au signe déterminé. 3. Circuit de coupure rapide selon la revendication 2, caractérisé en ce que les lignes électriques de coupure comprennent des transformateurs (27, 28) à saturation de tension séparant les transistors de coupure (30) du générateur de tension.