Brevet FR2773011A1 — publié le 19990625

INTERRUPTEUR HAUTE TENSION REALISE A PARTIR DE CELLULES A DEUX INTERRUPTEURS AIDES A LA FERMETURE ET A L'OUVERTURE, CONNECTEES EN SERIE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne un interrupteur électronique haute tension réalisé à partir d'une pluralité de cellules à deux interrupteurs aidés à la fermeture et à l'ouverture, connectées en série. Cet interrupteur haute tension est destiné à être utilisé, en particulier, dans des convertisseurs DC/DC haute tension (DC : courant continu). Etat de la technique Les convertisseurs DC/DC haute tension sont des systèmes alimentés par une tension continue et qui permettent de délivrer, en sortie, une haute tension continue, c'est-à-dire une tension supérieure à 1 kV. Ils peuvent être utilisés, par exemple, au sein d'une alimentation continue haute tension, c'est-à-dire dans un système destiné à transformer l'énergie électrique issue du réseau électrique national en une haute tension continue. Les alimentations continues haute tension comportent, généralement un étage élévateur de tension. Cet étage élévateur de tension transforme la tension alternative du réseau électrique national en une autre tension alternative de même fréquence, mais d'amplitude supérieure. Une régulation de la haute tension doit donc être opérée, soit en amont, soit en aval, de l'étage élévateur. On distingue deux types d'alimentations haute tension - les alimentations haute tension régulées sur la basse tension, c'est-à-dire les alimentations dans lesquelles la régulation de la haute tension s'opère en amont de l'étage élévateur ; et - les alimentations haute tension régulées sur la haute tension, c'est-à-dire les alimentations dont la régulation de la haute tension s'opèrent en aval de l'étage élévateur. Parmi les alimentations haute tension, certaines fonctionnent à la fréquence du réseau, soit 50 Hz en France. Ces alimentations comportent, par exemple, deux convertisseurs haute tension, qui utilisent la fréquence du réseau électrique. Ces deux convertisseurs, sont décrits dans les articles The realization of the power converters for the CERN FR system of LEP , A. DELIZEE, J.-C. CARLIER, P. PROUDLOCK, IEEE Proceedings, 1990 Nineteenth Power Modulator Symposium et Thigh voltage d. c. power supplies , J. S. BEKINK, A. J. J. COLIJN, Holec Projects, EPE Journal, June 1994. Les convertisseurs décrits dans ces articles comportent des transformateurs magnétiques qui permettent d'élever la tension alternative à la fréquence du réseau ; ils comportent également un redresseur, ainsi qu'un système de régulation à thyristors. La tension, ainsi régulée, est introduite dans un étage élévateur, puis dans un étage de redressement et un filtrage ; on obtient ainsi, en sortie du convertisseur, une haute tension continue. Ces convertisseurs sont généralement utilisés pour de très fortes puissances et permettent la réalisation d'une alimentation avoisinant les 1 MW. D'autres types d'alimentations haute tension fonctionnent en haute fréquence, c'est-à-dire à une fréquence d'au moins 10 kHz. Pour obtenir cette haute fréquence, le courant provenant du réseau électrique est d'abord redressé et filtré, permettant ainsi d'obtenir une basse tension continue. Il est ensuite introduit dans un étage onduleur qui consiste à transformer la basse tension continue en une tension alternative, grâce à l'onduleur. Cette tension est ensuite introduite dans l'étage élévateur, puis dans un autre étage de redressement et de filtrage avant de devenir une haute tension continue. La régulation de la tension, dans ce type d'alimentation, peut avoir lieu à différents niveaux. Tout d'abord, elle peut avoir lieu sur le redressement de la tension issue du réseau, au moyen d'un pont de GRAETZ, comme cela est décrit dans l'article L'électronique de puissance dans l'imagerie médicale , J. LAEUFFER et J. SALESSES, Revue Générale de l'Electricité, Juin 1992. Elle peut aussi être effectuée au niveau de la tension continue issue de l'étage de redressement et de filtrage. Elle est alors réalisée au moyen d'un hacheur, comme cela est décrit dans l'article High power high voltage generator , I. BONANNI, L. CRISTOFOLI, Proceedings of EPE 87 Grenoble. Dans ces deux cas, il s'agit d'une régulation de la tension continue fournie en entrée de l'étage onduleur. Cette solution est généralement utilisée lorsque l'onduleur utilisé est de type pleine onde et qu'il ne contrôle pas l'amplitude de sa tension alternative de sortie. Toutefois, dans certains cas, en plus de la fréquence, l'amplitude de la tension alternative fournie en entrée de l'étage élévateur est réglée au niveau de l'étage onduleur. Cette opération est réalisée au moyen, par exemple, d'un onduleur résonant, tel que décrit dans le document L'électronique de puissance dans l'imagerie médicale , J. LAEUFFER et J. SALESSES, Revue Générale de l'Electricité, Juin 1992 ou dans l'article Les composants à grille isolée en mode thyristor-dual , H. FOCH, M. METZ, J. P. ARCHES, C. SAUBION, Revue Générale de l'Electricité, Février 1994 ou encore dans l'ouvrage intitulé La commutation douce dans la conversion statique de l'énergie électrique , Y. CHERON, 1989, éditions Lavoisier. Le transformateur est généralement un transformateur magnétique ; il peut être associé, à sa sortie, à un multiplicateur capacitif, ou à un double multiplicateur capacitif. Une autre alimentation haute tension, décrite dans l'article A TWT power supply for high phase stability transmitter , Sandro SANDRI, IEEE Proceedings, 1988 Eighteenth Power Modulator Symposium, Hilton Head, utilise le transformateur d'un flyback (hacheur inverseur isolé) pour réaliser la fonction élévation de tension. Dans cette alimentation, la tension issue du réseau électrique est redressée et filtrée de façon à obtenir une tension continue fixe, fournie en entrée du flyback. Celui-ci utilise alors une inductance couplée, appelée transformateur du flyback , dont le rapport du nombre de spires fournit une élévation de tension. Les différents secondaires de cette inductance couplée sont mis en série afin d'additionner leurs tensions ; la régulation s' opère, comme pour un flyback classique, sur le rapport cyclique de l'interrupteur. La tension de sortie d'une telle alimentation est de 25 kV pour une puissance de 400 W. D'autres sortes d'alimentations sont régulées sur la haute tension. La régulation se fait alors, après l'étage élévateur de tension et l'étage de redressement et de filtrage. En fait, la régulation est effectuée sur la haute tension dans le cas où l'on souhaite obtenir une très faible ondulation de la tension de sortie et une régulation rapide. Il faut noter que dans de nombreux cas, une prérégulation est possible sur la basse tension de l'alimentation. C'est le cas, notamment, lorsque la régulation haute tension est réalisée au moyen des régulateurs linéaires. Dans le cas d'une prérégulation, on peut utiliser les différents types d'alimentations présentées précédemment, c' est-à-dire les alimentations régulées sur la basse tension. D'une façon générale, la régulation sur la haute tension nécessite des composants haute tension et souvent une haute puissance. Pour la réalisation d'une alimentation régulée sur la haute tension, on peut utiliser un régulateur linéaire sur la haute tension. Celui-ci est souvent réalisé au moyen de tétrodes, c' est-à-dire de tubes à vides permettant une régulation précise, comme cela est décrit dans Analysis and control of a 130 kV pulsed tetrode regulator , C. R. ROSE, J. C. CRON, Seventh IEEE Pulsed Power Conference, Monterey, 1989 et dans A 1 MW (CW) modulator-regulator system for gyroklystrons , Raymond C. BLACK, John KLOUZEK, IEEE Proceedings, 1984 Sixteenth Power Modulator Symposium. D'une façon générale, les régulateurs linéaires, de par leur principe de fonctionnement, ont des rendements généralement médiocres. Par ailleurs, les régulateurs linéaires, utilisés en haute tension, à savoir les tétrodes, ont une durée de vie relativement limitée. Ils présentent, de plus, un coût élevé. La régulation sur la haute tension peut également être réalisée au moyen d'une alimentation à découpage de type hacheur à modulation de largeur d'impulsion. Par rapport au régulateur linéaire, les alimentations à découpage ont l'avantage de présenter une bonne fiabilité et un rendement plus élevé. Par contre, ces alimentations nécessitent un (ou plusieurs) interrupteur(s) haute tension rapide(s). Les articles La mise en série des transistors de puissance, présentation d'un hacheur 200 kW - 4 kV , de J. M. ANDREJAK, J. P. ARCHES et P. C. CABALEIRO, Electronique de puissance n" 10 et High voltage converters promising technological developments , J. M. ANDREJAK, M. LESCURE, Proceedings of EPE 87 Grenoble, présentent un hacheur réalisé au moyen d'une mise en série de transistors bipolaires de puissance. Ce hacheur fonctionne à 4 kV en sortie pour une puissance de 200 kW. Cependant, un tel hacheur est difficile à mettre en oeuvre pour une haute tension. Les systèmes de régulation sous basse tension sont amenés, pour traiter de fortes puissances, à gérer des courants importants, ce qui implique généralement de réaliser un interrupteur fort courant par une mise en parallèle de semi-conducteurs, si la capacité en courant des différents semi-conducteurs est insuffisante. Il se pose alors un problème au niveau de la fiabilité de ce dispositif car la destruction de l'un des composants en parallèle implique la mise en court-circuit de l'ensemble des semi-conducteurs et donc la défaillance de l'alimentation. Un autre problème est celui de la valeur du filtre capacitif de sortie. En effet, en cas de défaut sur un équipement alimenté en haute tension, par exemple en cas de court-circuit, l'énergie contenue dans le filtre de sortie se dissipe dans l'équipement, qui peut alors être endommagé ; la dégradation est d'autant plus importante que l'énergie stockée est grande. Aussi, il est nécessaire de limiter l'énergie contenue dans le filtre en diminuant la valeur de la capacité de filtrage. Par contre, l'efficacité du filtre, c'est-à-dire sa capacité à atténuer les ondulations de tension, augmente avec la valeur du condensateur de filtrage et avec la fréquence de découpage du système de régulation, sauf, bien sûr, dans le cas du régulateur linéaire. Ainsi, pour diminuer la valeur d'un filtre, tout en conservant son efficacité, il est nécessaire de réaliser un système de régulation à fréquence de découpage élevée. Toutefois, pour des fréquences supérieures à 10 kHz, ce problème est nettement réduit. La réalisation d'une alimentation à découpage fonctionnant à une fréquence supérieure à 10 kH et sous haute tension a donc été envisagée. Cette alimentation à découpage consiste, en fait, en un convertisseur DC/DC (c'est-à-dire un hacheur) alimenté sous haute tension et comportant un interrupteur K. La capacité Cp représente les capacités parasites du montage. Sur la figure 1, on a représenté un tel convertisseur DC/DC. Il s'agit d'un hacheur-abaisseur. Ce convertisseur comporte une diode de roue libre Dri connectée par sa borne N à une inductance B et par sa borne P à une capacité A, elle-même connectée à l'inductance B. Un interrupteur K est connecté entre la borne N de la diode Dri et l'inductance B. La capacité Cp représente les capacités parasites du montage. Ce convertisseur DC/DC est alimenté par une tension continue d'entrée E et délivre une tension continue de sortie S, qui est inférieure à la tension E. L'interrupteur K est réalisé, comme expliqué précédemment, par une pluralité de semi-conducteurs connectés en série. Cependant, une telle structure fonctionne en commutation dure, c' est-à-dire que les commutations de l'interrupteur K s'opèrent avec une présence simultanée de courant et de tension, ce qui provoque des pertes de commutation. Un tel convertisseur DC/DC à haute tension pose un problème du point de vue des capacités parasites du macro-interrupteur K avec l'environnement. En effet, dans exemple de la figure 1, au moment de l'amorçage de l'interrupteur K, les capacités parasites Cp se chargent, ce qui provoque un fort courant impulsionnel. Autrement dit, lorsque les semiconducteurs se ferment, la diode de roue libre se bloque et les capacités parasites Cp se chargent, provoquant des courants parasites élevés. Ces derniers provoquent à leur tour une dissipation importante au niveau des semi-conducteurs. L'énergie contenue dans ces capacités parasites peut être importante si la tension est très élevée, ce qui peut amener la détérioration des semi-conducteurs. On peut remédier à ces inconvénients en utilisant un interrupteur électronique haute tension tel que celui décrit dans la demande de brevet française déposée le 18 décembre 1997 par la demanderesse sous le numéro 97 16070. D'une façon générale, cette demande de brevet décrit un interrupteur électronique haute tension traversé par un courant principal et comportant au moins deux cellules résonantes connectées en série. Chaque cellule résonante de cet interrupteur comporte - au moins une diode de bornes N et P - au moins une inductance - au moins un condensateur de résonance - au moins un moyen écrêteur de tension ; et - au moins un moyen d'interruption du courant dans la cellule, tel que la fermeture de ce moyen d'interruption provoque une décharge du condensateur de résonance dans l'inductance de sorte que le courant principal traverse chaque cellule et l'ouverture de ce moyen d'interruption provoque le chargement du condensateur de résonance à partir de l'inductance par l'intermédiaire de la diode, ledit condensateur ayant une tension à ses bornes de même polarité quel que soit l'état du moyen d'interruption et l'inductance étant traversée par un courant de même polarité quel que soit l'état dudit moyen d'interruption. Exposé de l'invention L'invention concerne un mode de réalisation de l'interrupteur électronique haute tension décrit dans cette demande française n" 97 16070. Ce nouveau mode de réalisation a l'avantage de réduire les pertes à l'état passant. De façon plus précise, l'invention concerne un interrupteur électronique haute tension traversé par un courant principal, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux cellules de commutation connectées en série, chacune de ces cellules comprenant - un premier et un second moyens d'interruption ; - une première et une seconde diodes, le premier moyen d'interruption étant connecté sur la borne P de la seconde diode et le second moyen d'interruption étant connecté sur la borne N de la première diode - un condensateur de résonance connecté entre la borne P de la seconde diode et la borne N de la première diode - un premier ou un second moyens écrêteurs de tension connectés, respectivement, en parallèle entre l'entrée du premier moyen d'interruption et la borne N de la seconde diode et en parallèle sur le condensateur ; et - une inductance connectée entre l'entrée de la cellule et la borne P de la première diode, la fermeture simultanée des deux moyens d'interruption provoquant une décharge du condensateur dans l'inductance et l'ouverture simultanée de ces moyens d'interruption provoquant le chargement du condensateur de résonance à partir de l'inductance par l'intermédiaire des diodes, ledit condensateur ayant une tension à ses bornes de même polarité quel que soit l'état des moyens d'interruption et l'inductance étant traversée par un courant de même sens quel que soit l'état desdits moyens d'interruption. L'invention concerne aussi un convertisseur DC/DC haute tension, comportant une diode de roue libre, une seconde inductance et au moins une capacité, caractérisé en ce qu'il comporte un interrupteur électronique haute tension selon la revendication 1. Brève description des figures - La figure 1, déjà décrite, représente un convertisseur DC/DC classique - la figure 2 représente, schématiquement, l'interrupteur de l'invention - la figure 3 représente, schématiquement, une cellule résonante de l'interrupteur de la figure 2 dans une structure de hacheur ; et - les figures 4A à 4F représentent, schématiquement, les différentes phases de fonctionnement de la cellule résonante de la figure 3. Description de modes de réalisation de l'invention Sur la figure 2, on a représenté le schéma de câblage d'un interrupteur K destiné à être utilisé dans le convertisseur DC/DC, montré sur la figure 1. Cet interrupteur K, comporte une pluralité de cellules résonantes, appelées aussi cellules de commutation , associées en série les unes avec les autres. Comme montré sur la figure 2, l'interrupteur haute tension K comporte n cellules de résonance, référencées la, lob,..., ln. Chacune de ces cellules de résonance comporte deux interrupteurs K1 et K2, deux diodes D1 et D2, une inductance L, un condensateur de résonance C et deux moyens écrêteurs El et E2. Ces différents éléments ont été représentés dans chacune des cellules de résonance de la figure 2, mais ils ne sont référencés que dans la cellule de résonance la, les cellules lob,..., ln étant identiques à cette cellule la. Dans chaque cellule, le premier interrupteur K1 (ou moyen d'interruption) est connecté à la borne P de la seconde diode D2 ; parallèlement, la première diode D1 est connectée par sa borne N au second interrupteur K2. Le condensateur C est connecté entre la borne P de la diode D2 et la borne N de la diode D1. Un premier moyen écrêteur El est connecté en parallèle sur l'ensemble constitué de l'interrupteur K1 et de la diode D2 de façon à protéger cet ensemble, en tension. Un autre moyen de réaliser cette fonction est d'utiliser un moyen écrêteur E2 connecté en parallèle sur le condensateur C de façon à limiter la tension maximale aux bornes de ce dernier. Une inductance L est connectée entre l'entrée de la cellule et la borne P de la diode D1, c'est-à-dire sur la borne d'entrée e de l'ensemble constitué des diodes D1, D2, des interrupteurs K1, K2, des moyens écrêteurs El, E2 et du condensateur C. Une borne de sortie s située, symétriquement à la borne d'entrée e, entre la borne N de la diode D2 et la sortie de l'interrupteur K2, assure la connexion avec la cellule résonante suivante. Une de ces cellules de résonance est représentée sur la figure 3 et montre le fonctionnement de cette cellule dans une structure de hacheur-abaisseur. On retrouve, sur cette figure 3, les composants de la cellule la de la figure 2, exceptés les moyens écrêteurs El et E2 qui n'ont aucune influence sur le fonctionnement général des cellules de résonance. Leur rôle est uniquement d'assurer une certaine limitation des tensions dans les cellules. Pour expliquer le fonctionnement de cette cellule, on suppose que le courant de sortie du hacheur est constant et égal à Io. On suppose également que la tension d'entrée du hacheur est constante et égale à E. Cette cellule de résonance reçoit donc en entrée une tension E et fournit en sortie un courant Io, schématisé sur la figure 3 par une source de courant. En parallèle sur cette source de courant, est connectée une diode de roue libre Dri. La fermeture des interrupteurs K1 et K2 provoque une décharge résonante dans le condensateur de résonance C qui cède alors son énergie à l'inductance de résonance L. Le courant principal de l'interrupteur K traverse alors les interrupteurs K1 et K2 et l'inductance de résonance L de chaque cellule de résonance de l'interrupteur haute tension K. L'ouverture des interrupteurs K1 et K2 de chaque cellule de résonance provoque le renvoi de l'énergie d'inductance de résonance L vers le condensateur de résonance C par l'intermédiaire des diodes D1 et D2. Il est à noter que la tension aux bornes du condensateur C a la même polarité qu'à l'origine, c' est-à-dire qu'elle a la même polarité quel que soit l'état des interrupteurs K1 et K2 ; la tension aux bornes du condensateur C ne s inverse pas. Il est à noter aussi que le courant traversant l'inductance de résonance L a toujours la même polarité dans toutes les phases de fonctionnement de l'interrupteur haute tension K. Les figures 4A à 4F montrent les différentes phases de fonctionnement du circuit hacheur-abaisseur, de la figure 3. La figure 4A représente la phase initiale du fonctionnement, appelée phase de roue libre. Dans cette phase de fonctionnement, les interrupteurs K1 et K2 sont ouverts et les diodes D1 et D2 sont bloquées, tandis que la diode de roue libre Dri est conductrice. C'est une phase stable. K1/D1 et K2/D2 se partagent la tension Sur la figure 4B, on a représenté la seconde phase du fonctionnement du circuit hacheur-abaisseur de la figure 3. Dans cette phase, on ferme les interrupteurs K1 et K2. Il se produit une résonance entre l'inductance L et le condensateur C, dans laquelle le courant IL circulant dans l'inductance croît, tandis que le condensateur C se décharge. Le courant circulant dans la diode de roue libre Dri est IDr1 = Io - IL. Cette seconde phase se termine à l'instant où la diode de roue libre Dri se bloque, c'est-à-dire lorsque IL = lo. Sur la figure 4C, on a représenté la troisième phase de fonctionnement du circuit de la figure 3. Lorsque la diode de roue libre Dri se bloque, l'inductance L est traversée par le courant Io, tandis que le condensateur C se décharge. Cette phase se termine lorsque Vc = 0, provoquant la fermeture de D1 et D2. Sur la figure 4D, on a représenté la quatrième phase du circuit hacheur-abaisseur. Dans cette phase, les interrupteurs K1 et D2 ainsi que les diodes D1 et D2 conduisent. Le courant Io, qui traverse l'inductance L, se partage entre K1/D2 et K2/D1. La capacité C est court-circuitée ; on a donc Vç = 0. Cette phase est stable et n'évolue qu'à l'ouverture des interrupteurs. Sur la figure 4E, on a représenté la cinquième phase de fonctionnement du circuit hacheur-abaisseur. Au cours de cette phase, lorsque l'on ouvre simultanément K1 et K2, le courant 10 vient charger le condensateur C. Lorsque Vç = E, la diode de roue libre Dri s'amorce. Sur la figure 4F, on a représenté la sixième phase de fonctionnement du circuit hacheur-abaisseur. Lorsque la diode de roue libre Dri s'amorce, il se produit une résonance entre l'inductance L et le condensateur C. La tension Vc augmente tandis que le courant IL dans l'inductance L diminue. Lorsque ce courant IL s'annule, les diodes D1 et D2 se bloquent et on revient à la phase de roue libre. Un convertisseur DC/DC haute tension comportant un interrupteur haute tension tel que décrit précédemment voit sa durée de vie augmenter, par rapport aux dispositifs proposés dans l'art antérieur. De plus, les cellules de commutation formant l'interrupteur étant assemblées en série, l'interrupteur présente l'avantage de ne pas être totalement inopérant lorsqu'un composant d'une des cellules est défectueux. De plus, l'interrupteur de l'invention, du fait de sa structure, permet de réduire les pertes à l'état passant. En outre, dans cet interrupteur, la puissance est traitée par une haute tension ; ceci permet de gérer des courants réduits. Une réalisation sur circuit imprimé est donc possible, d'où une facilité de réalisation et une réduction des coûts par rapport à une structure fort courant, qui nécessite un montage mécanique souvent onéreux. Par ailleurs, l'obtention de fréquences de découpage élevées, c'est-à-dire supérieures à 10 kHz, permet de réduire la valeur du filtre capacitif de sortie, tout en maintenant un filtrage efficace. D'autre part, les capacités parasites avec l'environnement sont incluses dans les capacités des différents étages de l'interrupteur. Les courants parasites sont donc fortement réduits. De plus, l'énergie contenue dans les capacités parasites est recyclée dans l'énergie de résonance, au lieu d'être totalement dissipée dans les semi-conducteurs, comme c'est le cas dans la plupart des dispositifs de l'art antérieur. REVENDICATIONS 1. Interrupteur électronique haute tension traversé par un courant principal, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux cellules de commutation connectées en série, chacune de ces cellules comprenant - un premier et un second moyens d'interruption (K1, K2) - une première et une seconde diodes (D1, D2), le premier moyen d'interruption (K1) étant connecté sur la borne P de la seconde diode (D2) et le second moyen d'interruption (K2) étant connecté sur la borne N de la première diode (D1) ; - un condensateur de résonance (C) connecté entre la borne P de la seconde diode et la borne N de la première diode - un premier ou un second moyens écrêteurs de tension (El, E2) connectés, respectivement, en parallèle entre l'entrée du premier moyen d'interruption et la borne N de la seconde diode, ou en parallèle sur le condensateur ; et - une inductance (L) connectée entre l'entrée de la cellule et la borne P de la première diode, la fermeture simultanée des deux moyens d'interruption provoquant une décharge du condensateur dans l'inductance et l'ouverture simultanée de ces moyens d'interruption provoquant le chargement du condensateur de résonance à partir de l'inductance par l'intermédiaire des diodes, ledit condensateur ayant une tension à ses bornes de même polarité quel que soit l'état des moyens d'interruption et l'inductance étant traversée par un courant de même sens quel que soit l'état desdits moyens d'interruption. 2. Convertisseur DC/DC haute tension, comportant une diode de roue libre (dry), une seconde inductance (B) et au moins une capacité (A), caractérisé en ce qu'il comporte un interrupteur électronique haute tension selon la revendication 1.