Brevet FR2743221A1 — publié le 19970704

DIODE RAPIDE, CAPABLE DE SUPPORTER UNE TENSION INVERSE ET UN COURANT DIRECT ELEVES, OBTENUE PAR ASSEMBLAGE DE DIODES ELEMENTAIRES DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne une diode de puissance obtenue par assemblage de diodes élémentaires. Elle s'applique notamment aux convertisseurs d'énergie utilisés dans des systèmes électroniques de puissance. L'invention s'applique plus particulièrement aux alimentations électriques impulsionnelles de lasers du type à vapeur de cuivre. Etat de la technique antérieure Un exemple d'une alimentation électrique impulsionnelle d'un laser à vapeur de cuivre est schématiquement représenté sur la figure 1. Cette alimentation électrique impulsionnelle représentée sur la figure 1 comprend successivement une source de haute tension 2, une impédance 4, une diode 6 et un condensateur 8 qui est relié à une borne du tube, ou tête, d'un laser à vapeur de cuivre 10 comme on le voit sur la figure 1. L'autre borne du tube du laser à vapeur de cuivre est mise à la masse. L'alimentation électrique impulsionnelle de la figure 1 comprend aussi une autre diode 12 dont la cathode est reliée à l'anode de la diode 6 et dont l'anode est reliée à une borne d'un commutateur B 12281.3 PV électrique de puissance 14, l'autre borne de ce commutateur étant mise à la masse. Ce commutateur 14 est commandé par des moyens appropriés 16 qui sont euxmêmes commandés par une horloge 18. L'alimentation électrique impulsionnelle de la figure 1 fonctionne suivant le principe de la charge d'un condensateur sous haute tension suivie de la décharge de ce condensateur sur la tête du laser à vapeur de cuivre. Le condensateur 8 est chargé sous une tension égale au double de la haute tension continue fournie par la source 2 (qui vaut par exemple 15 kV). Cette charge du condensateur 8 se fait à l'aide d'un circuit de charge de type résonnant, la diode 6 servant à éviter que le condensateur 8 ne se décharge. Ce condensateur 8 est déchargé violemment sur la tête du laser à vapeur de cuivre 10 lors de la fermeture du commutateur 14. Le laser se comporte comme une résistance en série avec une inductance (par exemple une résistance de 5 Q en série avec une impédance de 500 nH). Du fait du faible amortissement, une part importante de l'énergie vient recharger le condensateur de façon inverse (typiquement la moitié de l'énergie). La diode 12 montée en séri.e avec le commutateur 14 permet de bloquer le courant de sens négatif, de conserver l'énergie dans le condensateur 8 et donc de récupérer cette énergie. Pour réaliser une alimentation électrique impulsionnelle du genre de celle de la figure 1, il est donc nécessaire de disposer de diodes rapides, capables de supporter une tension inverse importante (plusieurs dizaines de kV) et d'accepter un courant direct important (un courant moyen de 100 A à plusieurs B 12281.3 PV centaines d'ampères et un courant-crête de 1000 A à plusieurs milliers d'ampères). On connaît actuellement plusieurs façons d'obtenir une diode de puissance comme celle que constitue la diode 12 de la figure 1. Une première façon consiste à utiliser une grosse diode de puissance du type "tube à gaz". C'est la seule solution actuelle qui satisfasse aux trois conditions mentionnées plus haut pour la tension, le courant-crête et la rapidité. Cependant, une telle solution est progressivement abandonnée du fait du coût élevé et de la fiabilité insuffisante de ce genre de diode. Une deuxième façon consiste à mettre en série des diodes qui sont de petit "calibre" en ce qui concerne le courant, c'est-à-dire capables de supporter un courant direct inférieur à 30 A et un courant-crête de l'ordre de 100 A mais qui sont "non spécifiées en avalanche", c'est-àdire dont la capacité de supporter un régime d'avalanche n'est pas garantie. Ceci est illustré schématiquement par la figure 2 o l'on voit des diodes D1, D2,..., Dn montées en série et respectivement soumises à des tensions V1, V2, Vn tandis que l'ensemble de ces n diodes est soumis à une tension V. Un tel montage pose un problème de déséquilibre statique. En effet, compte tenu des dispersions qui existent entre les caractéristiques inverses pour un même type de diode, chacune des diodes D: à Dn sera parcourue par un même courant inverse ir mais sera soumis à une tension différente de V/n. Certaines diodes pourront ainsi avoir entre leurs bornes une différence de potentiel destructrice B 12281.3 PV supérieure à Vrrm, Vrrm étant la tension inverse maximale supportée par une diode. Pour résoudre ce problème, on ajoute à l'ensemble des diodes de la figure 2 un réseau de résistances électriques d'équilibrage Ri, R2,..., Rn, ces résistances étant respectivement montées en parallèle avec les diodes D1, D2,..., Dn comme on le voit sur la figure 3, afin d'assurer l'égalité des tensions aux bornes de ces diodes. Le montage schématiquement illustré par la figure 3 pose cependant un problème de déséquilibre dynamique. En effet, lors de l'ouverture du commutateur comprenant un tel ensemble de diodes, chaque diode est parcourue par un courant inverse pendant un bref instant (phénomène de recouvrement). Il en résulte une surtension due à l'inductance parasite de cette diode. Pour résoudre ce problème et se prémunir de ce genre de surtension qui est une source de déséquilibre, on place un montage de type "RC" aux bornes de chacune des diodes de la figure 3 comme l'illustre schématiquement la figure 4. Comme on le voit sur cette figure 4, on ajoute au montage de la figure 3 des condensateurs Cl, C2,... Cn qui sont respectivement associés aux résistances Ri, R2,..., Rn. Chaque condensateur Ci est monté en série avec la résistance Ri correspondante, l'ensemble Ri, Ci étant monté en parallèle avec la diode associée Di (avec 1 On aboutit alors à un montage beaucoup plus complexe que les précédents. Une troisième façon d'obtenir une diode de puissance consiste à monter en série des diodes sans réseau d'équilibrage. B 12281.3 PV Chaque diode doit alors pouvoir laisser passer le courant lorsque sa tension maximale est atteinte et doit donc être capable de supporter un régime d'avalanche, c'est-à-dire être capable de laisser passer un courant inverse comme une diode Zener. Le régime d'avalanche dans les diodes donne lieu à une dissipation d'énergie répartie sur tout le support sur lequel se trouve l'ensemble des diodes. Cette dissipation d'énergie n'est pas destructrice car elle n'est pas localisée en un seul point. Cette troisième façon de faire, qui utilise des diodes "spécifiées en avalanche", est limitée à des diodes de faible calibre en courant ou à des diodes dont le temps de recouvrement inverse ("reverse recovery time") trr est élevé, supérieur à 100 ns. Ainsi, dans les convertisseurs d'énergie de forte puissance, il convient d'associer aux commutateurs commandés des diodes haute tension très performantes, ayant les qualités suivantes: - capacité de supporter une tension inverse importante (plusieurs dizaines de kV), - capacité de supporter un courant direct important (courant moyen de 100 A à plusieurs centaines d'ampères pour un courant- crête de 1000 A à plusieurs miliers d'ampères), - grande rapidité (trr - faible chute de tension directe. Or, il n'existe à l'heure actuelle aucune solution satisfaisante permettant d'obtenir une diode de puissances capable de supporter une tension inverse importante et un courant direct important tout en étant très rapides. B 12281.3 PV Exposé de l'invention La présente invention a pour objet une diode de puissance présentant simultanément les qualités ci- dessus sans avoir les inconvénients mentionnés plus haut à propos des diodes de puissance de type "tube à gaz". De façon précise, la prâsente invention a pour objet une diode de puissance, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une matrice de diodes élémentaires, chacune de ces diodes élémentaires ayant un temps de recouvrement inverse inférieur à 50 ns et étant capable de supporter un régime d'avalanche, cette matrice comprenant une pluralité d'étages montés en série, chaque étage comprenant une pluralité desdites diodes élémentaires montées en parallèle. La tension inverse maximale supportée par chaque diode élémentaire est par exemple au moins égale à V. Le courant direct moyen supporté par chaque diode élémentaire est par exemple de l'ordre de 8 A. De préférence, les diodes élémentaires de la matrice sont reliées les unes aux autres par de larges pistes électriquement conductrices de largeur au moins égale à 4 mm, de manière à permettre le passage d'un courant important sans échauffement excessif et à diminuer l'importance des connexions entre ces diodes élémentaires. De préférence également, les portions de piste respectivement associées aux diodes élémentaires ont toutes la même longueur. De préférence également, les diodes élémentaires sont montées sur un support électriquement isolant, les pistes conductrices sont formées sur ce support et, pour chaque étage, la piste reliant les anodes des B 12281.3 PV diodes élémentaires de cet étage et la piste reliant les cathodes des diodes élémentaires de cet étage s'étendent d'un côté à l'autre du support. On permet ainsi une répartition homogène du courant entre les différentes rangées parallèles de la matrice et l'on diminue l'impédance des connexions entre les diodes. On obtient encore une diode de puissance conforme à l'invention en montant en série une pluralité d'exemplaires de ladite matrice de diodes élémentaires. Brève description des dessins La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnée ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, illustre schématiquement un exemple connu d'alimentation électrique impulsionnelle d'un laser à vapeur de cuivre, - la figure 2, déjà décrite, illustre schématiquement un montage connu de diodes en série, destiné à former une diode de puissance, - la figure 3, déjà décrite, montre schématiquement un autre montage connu de telles diodes en série, - la figure 4, déjà décrite, montre schématiquement un autre montage perfectionné connu de telles diodes en série, - la figure 5 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier de la diode de puissance objet de l'invention, B 12281.3 PV - la figure 6 illustre schématiquement la répartition homogène de l'impédance de câblage de la diode de puissance de la figure 5, - la figure 7 illustre schématiquement un autre mode de réalisation particulier dans lequel des diodes de puissance du genre de celui de la figure 5 son: montées en série, et - la figure 8 est une vue schématique d'une alimentation électrique impulsionnelle avec doublage de tension et compression magnétique, alimentation à laquelle s'applique tout particulièrement la présente invention. Exposé détaillé de modes de réalisation particuliers La diode de puissance conforme à l'invention, qui est schématiquement représentée sur la figure 1, comprend une matrice 20 de diodes élémentaires 22, lesquelles supportent un régime d'avalanche et sont très rapides. Le temps de recouvrement inverse trr de ces diodes élémentaires est inférieur à 50 ns. La matrice 20 comprend une pluralité d'étages 24 montés en série, comme on le voit sur la figure 5. Chaque étage 24 comprend une pluralité desdites diodes élémentaires 22 qui sont montées en parallèle comme on le voit aussi sur cette figure 5. A titre purement indicatif et nullement limitatif, les diodes élémentaires 22 sont des diodes de puissance commercialisées par la société Motorola sous la référence MUR 820 ou MUR 840 ou MUR 860 ou encore des diodes commercialisées par la société Thomson sous la référence BYW 29-200. B 12281.3 PV Les caractéristiques de ces diodes sont indiquées sur le tableau I qui figure à la fin de la présente description. Dans ce tableau, les paramètres Vrrm, Im et trr représentent respectivement la tension inverse maximale supportée par les diodes élémentaires, le courant direct moyen supporté par ces diodes élémentaires et le temps de recouvrement inverse cde celles-ci. Ces diodes commercialement disponibles présentent l'avantage de bien supporter le régime d'avalanche et d'être rapides. De plus, elles ne présentent, à l'état passant, qu'une chute de tension de 0,85 V. Dans la matrice 20, les diodes sont associées en série/parallèle sans réseau d'équilibrage statique ou dynamique. Ceci est possible puisque les diodes choisies supportent bien le régime d'avalanche. La matrice 20 est fDrmée sur un support électriquement isolant 26. Il s'agit d'un circuit imprimé sur lequel les diodes élémentaires sont donc implantées. Comme on le voit sur la figure 5, des pistes électriquement conductrices 28, parallèles les unes aux autres, sont formées sur le circuit imprimé 26 et permettent le montage en parallèle des diodes élémentaires dans chaque étage 24. Plus précisément, on voit que, dans chaque étage, les anodes des diodes sont reliées les unes aux autres par une telle piste et les cathodes de ces diodes sont également reliées les unes aux autres par une telle piste. On notera qu'une autre piste conductrice 32, qui est parallèle aux pistes 28 et formée à une extrémité de la matrice pour relier toutes les anodes des diodes B 12281.3 PV du premier étage de la matrice entre elles, a une largeur supérieure à celle des pistes 28. Cette piste 32 constitue la connexion d'anode de la diode de puissance de la ficure 5. De même, une autre piste conductrice 34, qui est parallèle aux pistes 28 et formée à l'autre extrémité de la matrice pour relier toutes les cathodes des diodes du dernier étage de la matrice entre elles, a une largeur supérieure à celle des pistes 28 (qui sont comprises entre ces pistes 32 et 34). Cette piste 34 constitue la connexion de cathode de la diode de puissance de la figure 5. On voit également sur la figure 5 d'autres pistes électriquement conductrices 36 qui sont formées sur le circuit imprimé 26 et qui sont perpendiculaires aux pistes 28, 32 et 34. Ces pistes 36 permettent à chaque diode élémentaire 22 d'être reliée aux pistes parallèles précédentes qui lui sont associées. Ces pistes 36 correspondent respectivement aux colonnes de la matrice 20 tandis que les pistes 28, 32 et 34 correspondent respectivement aux lignes de la matrice 20. On précise que la largeur des pistes 28, 32, 34 et 36 est au moins égale à 4 mm. Ceci permet le passage d'un courant électrique important dans les diodes élémentaires 22, sans échauffement excessif de celles- ci, et conduit également à de faibles inductances parasites au niveau des connexions entre diodes pour permettre l'établissement rapide du courant électrique dans la matrice. Les portions de pistes 36 respectivement associées aux diodes élémentaires 22 ont la même longueur 1. B 12281.3 PV Les diodes élémentaires ont donc des inductances de câblage identiques. On réalise ainsi l'équilibrage des courants électriques des diodes de la matrice 20. On voit sur la figure 5 cue toutes les pistes 28, 32 et 34 s'étendent d'un côté à l'autre du circuit imprimé 26. Dans l'exemple représenté, ce circuit imprimé est de forme rectangulaire et ces pistes s'étendent suivant toute la largeur L de ce circuit imprimé 26. Ceci permet d'obtenir une répartition homogène du courant électrique entre les différentes diodes montées en parallèle dans chaque étage. Le montage en série des étages 24 les uns avec les autres diminue les risques d'amorçage entre étage à la surface du circuit imprimé 26 et améliore le synchronisme d'apparition des courants entre les différentes branches parallèles de la matrice. On améliore ainsi, en effet, la répartition de l'inductance de câblage comme le montre la figure 6 qui est un schéma électrique correspondant à la matrice de la figure 5. Les différentes inductances de câblage de cette matrice ont la référence 38 sur cette figure 6. Dans la matrice 20 de la figure 5, un espace suffisant est laissé entre les diodes élémentaires 22. Cet espace est au moins écal à 5 mm. Ceci permet de résoudre les problèmes de tenue en tension et d'échauffement en permettant en outre le passage facile d'un éventuel fluide de refroidissement (par exemple l'air ou l'huile) entre les diodes de la matrice 20. L'utilisation de radiateurs de refroidissement n'est alors pas nécessaire. B 12281.3 PV On a par exemple réalisé une matrice de diodes de type MUR 840 à 15 lignes (et donc 15 étages) et 10 colonnes. Une telle matrice constitue une diode haute tension rapide dont les caractéristiques sont les suivantes: Vrrm = 6 kV Im = 80 A trr = 35 ns La figure 7 illustre schématiquement une autre diode de puissance conforme à l'invention. Dans le cas de la figure 7, cette diode de puissance est constituée par la mise en série, au moyen de conducteurs électriques 41, d'une pluralité de matrices 20 du genre de celles de la figure 5 (trois matrices dans l'exemple représenté). On peut par exemple connecter plusieurs matrices de diodes de type MUR 840 dont les caractéristiques ont été données ci-dessus afin dE réaliser, par exemple, une diode de puissance 30 kV/80 A moyen/1000 A crête. On a utilisé une telle diode de puissance en série avec un interrupteur de puissance 25 kV/1000 A crête réalisé à partir de transistors MOS. La figure 8 est une vue schématique d'une alimentation électrique impulsionnelle avec doublage de tension et compression magnétique. Une diode de puissance conforme à l'invention est plus particulièrement intéressante dans une telle alimentation pour avoir un ibon fonctionnement aux alimentations pour une tension d'entrée variant de 0 V à la tension nominale de fonctionnement de cette alimentation. B 12281.3 PV Cette alimentation électrique impulsionnelle schématiquement représentée sur la figure 8 comprend, de façon classique, une source de haute tension continue 40 dont la borne positive + est reliée à un circuit de charge résonnant comprenant une inductance de charge 42 et une diode 44. La diode 44 est suivie par une inductance d'inversion 46 qui est connectée à une borne d'une inductance de blocage 48. L'alimentation impulsionnelle de la figure 8 comprend aussi une diode de puissance 49 dont l'anode est reliée à la liaison entre -a cathode de la diode 44 et l'inductance 46. Un interrupteur 50 est connecté entre la cathode de la diode 49 et le pôle négatif - de la source 40. Un premier condensateur 52 est connecté à l'autre borne de l'inductance de blocage 48 et ce condensateur 52 est connecté à une borne d'une inductance saturable 54. Un autre condensateur 56 est monté entre cette autre borne de l'inductance de blocage 48 et la borne négative de la source 40. La charge 58 que l'on veut alimenter, par exemple un laser à vapeur de cuivre, est montée entre la borne négative de la source 40 et l'autre borne de l'inductance saturable 54. Un autre condensateur 60 et une autre inductance 62 sont montés en parallèle entre les bornes de la charge 58. La diode de puissance 49 est une diode conforme à la présente invention. On applique à l'entrée de l'alimentation une haute tension continue E grâce à la source 40. L'interrupteur 50 étant ouvert, on charge ainsi en parallèle les condensateurs 52 et 56 sous une tension 2 B 12281.3 PV E du fait de circuit de charge résonnant constitué par l'inductance 42 et la diode 44. Ensuite, on ferme rapidement l'interrupteur 50. Une oscillation de tension apparaît dans la boucle formée par les composants 50, 49, 46, 48 et 56 et la tension aux bornes du condensateur 56 s'inverse. Une tension 4 E est alors appliquée entre les bornes de l'inductance saturab.e 54 qui est conçue pour ne se saturer qu'à partir de ce moment. L'énergie est alors transférée au condensateur 60 et la tension est appliquée sur la tête du laser à vapeur de cuivre 58. La diode de puissance 49 permet donc d'inverser la tension entre les bornes du condensateur 56 et d'attendre la saturation de l'inductance saturable 54. L'alimentation électrique impulsionnelle de la figure 8 est particulièrement adaptée à l'alimentation impulsionnelle d'un laser à vapeur de cuivre, d'un laser à CuBr ou d'un laser à CuHBr. Tableau I VrrmIm trr MUR 820 200 V 8 A 35 ns BYW 29-200 200 V 8 A 35 ns MUR 840 400 V 8 A 35 ns MUR 860 600 V 8 A 50 ns B 12281.3 PV REVENDICATIONS 1. Diode de puissance, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une matrice (20) de diodes élémentaires (22), chacune de ces diodes élémentaires ayant un temps de recouvrement inverse inférieur à ns et étant capable de supporter un régime d'avalanche, cette matrice comprenant une pluralité d'étages (24) montés en série, chaque étage comprenant une pluralité desdites diodes élémentaires montées en parallèle. 2. Diode de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension inverse maximale supportée par chaque diode élémentaire (22) est au moins égale à 200 V. 3. Diode de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le courant direct moyen supporté par chaque diode élémentaire (22) est de l'ordre de 8 A. 4. Diode de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les diodes élémentaires de la matrice (20) sont reliées les unes aux autres par des pistes électriquement conductrices (28, 32, 34, 36) dont la largeur est au moins égale à 4 mm. 5. Diode de puissance se.on l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les diodes élémentaires de la matrice (20) sont reliées les unes aux autres par des pistes électriquement conductrices et en ce que les portions de piste respectivement B 12281.3 PV associées aux diodes élémentaires ont toutes la même longueur. 6. Diode de puissance se-on l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un support électriquement isolant (26), sur lequel se trouve la matrice (20) de diodes élémentaires, en ce que les diodes élémentaires de la matrice sont reliées les unes aux autres par des pistes électriquement conductrices formées sur ce support et en ce que, pour chaque étage (24), la piste reliant les anodes des diodes élémentaires de cet étage et la piste reliant les cathodes des diodes élémentaires de cet étage s'étendent d'un côté à l'autre du support. 7. Diode de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les diodes élémentaires (22) sont distantes les unes des autres d'au moins 5 mm. 8. Diode de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité d'exemplaires de ladite matrice (20) qui sont montés en série. B 12281.3 PV