Brevet FR2858132A1 — publié le 20050128

PROCÉDÉ POUR COURT-CIRCUITER UN CONVERTISSEUR PARTIEL DÉFECTUEUX L'invention concerne un procédé pour court-circuiter un 5 convertisseur partiel défectueux, qui est constitué comme un convertisseur de circuit intermédiaire de tension, qui est connecté à au moins un condenseur de circuit intermédiaire interne servant d'accumulateur d'énergie, dans un circuit série de convertisseurs partiels côté tension alternative ou tension continue. Par le court-circuit, on cherche à rendre possible un circuit série 10 redondant de convertisseurs partiels qui peuvent être réalisés en convertisseurs à deux ou plusieurs points. Dans la topologie des convertisseurs ayant des disjoncteurs à semiconducteur branchés en série, le fonctionnement à vide d'une seule valve à semi-conductedr peut mettre hors service toute une branche de 15 convertisseurs. De même, pour des convertisseurs comportant des convertisseurs partiels montés en série, le fonctionnement à vide d'une seule valve à semi-conducteur peut limiter considérablement, sinon même empêcher, la continuation du fonctionnement du convertisseur. Des convertisseurs de ce genre consistent, par exemple, en un 20 circuit en pont comportant des branches de pont constituées d'un circuit série d'un nombre quelconque de bipôles (sous-modules), les bipôles comportant en divers états de commutation pouvant être commandés une tension aux bornes différente. La sortie de pont est reliée à un transformateur de fréquence moyenne. Les sous-modules ont un circuit intermédiaire de tension 25 interne comportant un accumulateur d'énergie (condensateur) et sont constitués de manière que leur tension aux bornes puisse prendre une valeur positive ou négative indépendamment de la direction de courant. Par les submodules, on réalise des tensions en escalier aussi bien du côté du réseau que du côté de la fréquence moyenne. Il peut être prévu, de plus, un état de 30 court-circuit. Pour que des convertisseurs comportant de nombreux convertisseurs partiels montés en série puissent fonctionner de manière redondante, on doit s'assurer qu'un convertisseur partiel défectueux est courtcircuité durablement à ses bornes. On connaît par Schibli/Rufer, Single- and three-phase multilevel converters for traction systems 50 Hs/16 2/3 Hz, Proceedings, 7th European Conference on Power Electronics Applications (EPE), 1997, vol. 4, pages 210 à 215, une solution pour un système de traction par laquelle une séparation galvanique des moteurs et du fil de contact est effectuée en utilisant une pluralité de transformateurs de fréquence moyenne individuels. Les 5 transformateurs de fréquence moyenne sont associés respectivement à des convertisseurs partiels montés en série. Côté réseau, il y a un circuit série de groupe de convertisseurs partiels qui produisent, en somme, une tension en escalier. Chacun de ces groupes de convertisseurs partiels comporte un dispositif de réglage à quatre cadrans côté réseau, un premier condensateur 10 de tension continue, un onduleur de fréquence moyenne côté primaire, un transformateur de fréquence moyenne, un redresseur de fréquence moyenne côté secondaire et un second condensateur de tension continue. Pour produire la redondance, il est proposé un court-circuiteur mécanique du côté du réseau en parallèle aux convertisseurs partiels associés. Dès qu'un convertisseur partiel est défectueux, le court-circuiteur est fermé et assure ainsi le court-circuit entre les points de raccordement. Mais cela est une variante complexe si l'on pense que le courtcircuiteur mécanique nécessite une alimentation en courant à haute tension. De plus, ces court-circuiteurs doivent être plus souvent entretenus en raison 20 de leur mécanique. Dans le circuit série de plusieurs commutateurs à semi-conducteur, une méthode aujourd'hui usuelle pour obtenir une structure redondante est la mise en contact par pression de la puce de semi-conducteur des valves. Il est garanti par le contact par pression que la valve à semi-conducteur 25 défectueuse se trouve en court-circuit. Plusieurs thyristors de réseau sont montés ainsi en série, par exemple dans des installations de transport de courant continu à haute tension. La mise en contact par pression de semi-conducteurs de puissance représente cependant, comparée à la technique modulaire comportant une 30 mise en contact par fil de bonding, une alternative complexe et onéreuse. Cela est valable, notamment, pour des densités de courant et de tension plus petites que dans les installations actuelles de transport de courant continu à haute tension qui comportent des puissances typiques de 100 à 800 MW. L'invention vise à indiquer, pour des convertisseurs partiels 35 branchés en série côté tension continue ou alternative, comportant un circuit intermédiaire de tension interne, un procédé par lequel on obtient un court- circuit d'un convertisseur partiel sans mise en contact par pression dans les commutateurs à semi-conducteur et sans dispositif de commutation mécanique. Les convertisseurs partiels doivent, en cas de panne de la 5 commande d'un seul commutateur à semi-conducteur dans un convertisseur partiel ou en cas de panne d'une valve à semi-conducteur interne avec courtcircuit qui s'ensuit du circuit intermédiaire de tension (condensateur de stockage), provoquer de manière sure un court-circuit durable aux bornes du convertisseur partiel. L'objet de l'invention est un procédé pour court-circuiter un convertisseur partiel défectueux, qui est constitué comme un convertisseur de circuit intermédiaire de tension, qui est connecté à au moins un condenseur de circuit intermédiaire interne servant d'accumulateur d'énergie, dans un circuit série de convertisseur partiel, caractérisé en ce que, en cas de panne, 15 tous les disjoncteurs à semi- conducteur du convertisseur partiel sont branchés, au moins pendant une brève durée, de manière à être durablement passants. Dans un mode de réalisation avantageux, on obtient l'état passant en augmentant la tension grille-émetteur des disjoncteurs à semi-conducteur. 20 Dans un mode de réalisation avantageux, on obtient l'état passant en connectant les disjoncteurs à semi-conducteur en ayant ensuite une déconnexion rapide pour un courant élevé. Dans un mode de réalisation avantageux, on obtient l'état passant par un branchement extrêmement rapide des disjoncteurs à semi-conducteur. Dans un mode de réalisation 25 avantageux, la connexion et la déconnexion s'effectuent plusieurs fois. Dans un mode de réalisation avantageux, les disjoncteurs à semiconducteur sont commandés par un circuit de reconnaissance de du/dt qui est disposé en parallèle au condensateur de circuit intermédiaire. Dans un mode de réalisation avantageux, les disjoncteurs à semi-conducteur sont commandés 30 par un circuit de reconnaissance de di/dt qui est monté en parallèle à une inductance de fuite du convertisseur partiel. On obtient un court-circuit durable entre les bornes d'un convertisseur partiel après l'apparition d'une défectuosité par le moyen suivant: a) Production d'une voie de court-circuit côté tension continue, qui est parallèle au condensateur ou aux condensateurs de circuit intermédiaire, par connexion et mise à l'état passant de tous les commutateurs à semiconducteur du convertisseur partiel. b) Utilisation de la fonction de redressement des diodes de la partie de puissance ainsi que de la voie de court-circuit côté tension continue pour la 5 formation d'un court-circuit du côté de tension alternative du convertisseur partiel. Le procédé satisfait le point a) à l'aide de commutateurs à semiconducteur à l'état passant qui produisent une voie de court-circuit en parallèle au condensateur de circuit intermédiaire. Le point a) satisfait, il existe 10 alors sur la base de b) une voie de court-circuit du côté de tension alternative qui peut être chargée en les courants normaux de fonctionnement. Après la connexion des commutateurs à semi-conducteur d'un convertisseur partiel, le courant de défaut augmente en l'espace de la première microseconde dans le composant défectueux et aussi dans tous les 15 autres commutateurs à semi-conducteur, pour l'utilisation de IGBT, par exemple à environ cinq fois le courant nominal. Les propriétés de désaturation des commutateurs à semi-conducteur limitent le courant pour un certain laps de temps, pour les IGBT pour plus de 10 microsecondes. Pour la production visée de la voie de court-circuit, il est important que le courant de court-circuit 20 passe à l'aide de cette désaturation maintenant par presque tous les commutateurs à semi-conducteur du convertisseur partiel. Sont exclues éventuellement des puces d'IGBT qui sont branchées en parallèle au composant défectueux. On peut obtenir un passage à l'état passant de tous les 25 commutateurs à semi-conducteur guidant du courant à l'aide de divers procédés: 1. Suppression de la propriété de désaturation de tous les commutateurs à semi-conducteur par augmentation de la tension grilleémetteur au-delà de la valeur normale. Après quoi, le courant dans les 30 commutateurs à semiconducteur augmente jusqu'à ce qu'ils soient passants en raison de la charge thermique. 2. Augmentation extrême de la tension grille-émetteur pour tous les commutateurs à semi-conducteur, si bien que cela provoque la rupture grilleémetteur au moins pour la majorité des puces. En raison d'une rupture grille35 émetteur (dans des composants à semi-conducteurs commandés MOS, la couche d'oxyde entre la grille et l'émetteur y est détruite), il en résulte un court-circuit entre l'émetteur et le collecteur, si bien que les commutateurs à semi-conducteur sont durablement passants. 3. Par une déconnexion extrêmement rapide de tous les commutateurs (à courant élevé) à la suite de leur branchement, on peut 5 obtenir aussi un état passant des puces en raison d'intensités de champ électrique interne trop grandes. 4. Connexion extrêmement rapide des commutateurs à semiconducteur avec passage à l'état passant qui suit. Par l'opération de connexion rapide, on détruit d'une manière ciblée les commutateurs à semi10 conducteur. 5. Par une combinaison des procédés, 1, 3 et 4, à savoir connexion et déconnexion répétées. Tous les procédés décrits ont la propriété commune de mettre à l'état passant pour chaque module à semi-conducteur la pluralité des puces. 15 On obtient ainsi une voie de court-circuit durable et pouvant être chargée en le courant nominal. Si le court-circuit est apparu à l'aide de l'un des procédés décrits précédemment, il est alors garanti par la fonction de redresseur des diodes un court-circuit aussi du côté de tension alternative du convertisseur partiel. Cela 20 est valable pour des convertisseurs qui sont constitués au moins de deux demi-ponts. Cela est valable de manière restreinte aussi pour des soussystèmes comportant un demi-pont. En cas de panne de la commande de commutateur à semiconducteur et donc de blocage d'un seul commutateur à semi-conducteur actif 25 à l'intérieur de son convertisseur partiel, on peut obtenir un court-circuit durable de ce convertisseur partiel à l'aide de l'invention de la manière suivante. Il faut distinguer dans ce cas le circuit série côté tension alternative et côté tension continue du convertisseur partiel: Dans le circuit série côté tension alternative, une panne de la 30 commande a pour conséquence que le convertisseur partiel règle une fausse tension de sortie. Cela peut être reconnu par la régulation de rang supérieur. Après quoi, celle-ci bloque tous les commutateurs à semi-conducteur actifs du convertisseur partiel concerné, si bien qu'il n'y a plus que les diodes antiparallèles qui conduisent le courant alternatif. En raison de la fonction de 35 redresseur des diodes, le convertisseur partiel défectueux applique toujours la tension continue du côté de tension alternatif de la façon suivante: tension continue négative pour courant négatif et tension continue positive pour courant positif. Cette tension de défaut peut être compensée en un mode spécial de fonctionnement à l'aide de l'autre convertisseur partiel monté en série. Dans ce mode de fonctionnement, un courant alternatif est appliqué 5 dans la branche de redresseur concernée. Cela conduit à ce que le convertisseur partiel défectueux reçoit de l'énergie de manière durable. La tension du circuit intermédiaire de convertisseur augmente ainsi au-delà de la tension de fonctionnement nominale maximale. Les commutateurs à semiconducteur sont conçus de manière que leur tension de blocage n'est qu'un 10 peu au- dessus de la tension de fonctionnement nominal maximal du côté de tension continue. Ce composant à semi-conducteur est ainsi détruit dans le convertisseur partiel en raison des surtensions. Cela a pour conséquence à nouveau un court-circuit du condensateur de circuit intermédiaire et une mise à l'état passant durable qui suit du composant à semi-conducteur concerné. Pour reconnaître une panne de la commande, il peut être prévu aussi un circuit de reconnaissance passif supplémentaire, par lequel un courtcircuit du circuit intermédiaire peut être initié par l'intermédiaire des commutateurs à semi-conducteur d'un sous-système. Dans le circuit série du côté de tension continue, la régulation 20 reconnaît de manière analogue au circuit série du côté de tension alternative, le cas de panne et bloque tous les commutateurs à semiconducteur du convertisseur partiel défectueux. Ensuite, ce convertisseur partiel est chargé en un courant appliqué par le côté de tension continue ou aussi par le côté de tension alternative jusqu'à ce que des commutateurs à semi-conducteur 25 soient détruits en raison d'une surtension et soient ensuite passants. Il peut être prévu ici aussi, en variante, un circuit de reconnaissance passif. Par l'invention, on maintient la protection des diodes de la partie de puissance, par exemple du circuit à pont intégral, à l'abri de la destruction. Sont exclues des puces à diode individuelles, si elles ont provoqué les cas de 30 panne. On explicitera plus en détail l'invention dans ce qui suit à l'aide d'exemples de réalisation. Aux dessins associés: la figure 1 représente un convertisseur en circuit en pont; la figure 2 représente les convertisseurs partiels associés d'une 35 branche de pont individuelle; la figure 3 représente un circuit pour la reconnaissance d'un courtcircuit de circuit intermédiaire dans un convertisseur partiel et la figure 4 représente une deuxième variante d'un circuit détecteur de ce genre. La figure 1 représente d'abord la structure générale du convertisseur en une version en circuit à pont intégral. La tension UN de réseau s'applique à l'entrée du convertisseur. Quatre branches 11, 12, 21 et 22 de convertisseur sont disposées sous la forme d'un circuit en pont. Il se trouve sur la diagonale du pont un transformateur T de fréquence moyenne 10 ayant la tension UT primaire et la tension UT secondaire. Comme l'illustre la figure 2, les branches 11, 12, 21, 22 de convertisseur sont constituées respectivement de plusieurs sous-modules ayant la tension USS. USSN aux bornes...DTD: Une possible réalisation des sous-modules est représentée à la 15 figure 2. Un sous-module a respectivement la forme d'un circuit à pont intégral d'un convertisseur de tension, sauf que ce circuit est utilisé ici comme bipôle individuel. Le circuit en pont est constitué de quatre disjoncteurs IGBT1... IGBT4 à semi-conducteur comportant des diodes D1... D4 montées de manière anti-parallèle. Il est branché aux bornes côté tension continue un 20 condensateur C de stockage qui se charge respectivement à la tension Udcl Udcn aussi longtemps qu'il n'est pas branché de disjoncteur IGBT1... IGBT4 à semi-conducteur. Par le branchement des disjoncteurs IGBT... IGBT4 à semi-conducteur, il est produit des états de commutation par lesquels la tension Uss1... USSN aux bornes devient, indépendamment de la 25 direction du courant, positive, négative ou aussi égale à zéro (courtcircuit). En faisant l'hypothèse que les tensions Udol... UdcN des condensateurs C de tous les sous-modules ont un même état de sortie Udc = U0 et qu'il est présent une pluralité N de sous-modules, la tension Uac d'une branche 11, 12, 21, 22 de redresseur peut prendre l'intervalle des valeurs -n 30 U0... +nUo et peut donc être réglée à des "marches d'escalier" discrètes de la tension Uo. Les sous-modules sont constitués en modules IGBT haute puissance qui comportent le plus souvent une pluralité de puces à IGBT ou à diodes antiparallèles. Chaque puce y est reliée du point de vue électrique au 35 système de câblage interne au module par l'intermédiaire de fil de bonding. Dans le cas d'une panne d'une valve IGBT, il n'existe le plus souvent qu'une seule puce à l'état passant. Les puces montées en parallèle à cette puce sont le plus souvent encore capables de fonctionner. C'est pourquoi, dans la plupart des cas, le courant de défaut n'est guidé que par l'intermédiaire de la puce défectueuse. En raison de la grande amplitude du courant de court5 circuit ainsi que de la concentration sur une seule puce, il se produit des densités de courant extrêmement grandes dans les fils de bonding de la puce défectueuse. Après quelques microsecondes, ces derniers fondent ou sont arrachés en raison des forces magnétiques et il se forme un arc électrique qui peut provoquer jusqu'à l'explosion du module. L'explosion de modules à IGBT 10 ou à diodes peut avoir pour conséquence que les commutateurs à semiconducteur se trouvent du côté de tension alternative ou du côté de tension continue en le fonctionnement à vide, ce qui, entre autres, peut être empêché par l'invention. Un convertisseur partiel défectueux produit, dans le cas d'une panne, un court-circuit pouvant être chargé en courant nominal. Les modules à diodes et IGBT sont protégés d'une formation d'arc électrique du fait qu'un circuit capteur reconnaît le court-circuit du côté de tension continue en l'espace de quelques microsecondes (ps) et initie alors un amorçage de tous les disjoncteurs IGBT... IGBT4 à semiconducteur. En raison de la décharge très rapide du condensateur C de 20 stockage dans le cas d'une panne, il est nécessaire que cet état soit reconnu en un temps extrêmement bref (Ttot Suivant une première variante de procédé, un cas de panne est reconnu dans un circuit 1 capteur à l'aide de la du/dt fortement négative de la tension Udc de condensateur. A titre d'exemple, la figure 3 représente une réalisation pour un circuit de reconnaissance de ce genre. La reconnaissance de la du/dt fortement négative s'effectue à l'aide d'un diviseur de tension 30 ohmique-capacitif comportant les résistances R1, R2 et les condensateurs C1, C2. Si le court-circuit est constaté, au moins un transformateur Tz d'amorçage est alimenté en courant par des transistors V1 et V2 de couplage à partir d'une source de tension, ici un condensateur C3. Cette source de tension est alimentée également directement à partir du circuit de puissance. On peut 35 ainsi appliquer, par l'intermédiaire d'un transformateur distinct pour chaque commutateur IGBT1... IGBT4 à semi-conducteur, une tension UGE-ZUSatZ grille- émetteur supplémentaire à tous les disjoncteurs IGBT1... IGBT4 à semiconducteur. A l'aide de cette tension supplémentaire, on peut commander tous les disjoncteurs IGBT1... IGBT4 à semi-conducteur en même temps et indépendamment des signaux de commande. Il est ainsi possible de modifier 5 les propriétés de saturation des IGBT, de les déconnecter ou aussi d'endommager de manière ciblée la couche d'oxyde entre la grille et l'émetteur. Après un passage à l'état passant des commutateurs IGBT1... IGBT4 à semi-conducteur, le côté de tension continue du sous-module est 10 court-circuité de manière durable. Comme, en outre, une formation d'arc électrique dans le module IGBT du sous-module a été empêchée, il est garanti que la majorité de toutes les puces à diode sont conductrices dans la direction du courant. On assure ainsi aussi un court-circuit durable du sousmodule entre les bornes 1' et 2'. Suivant une deuxième variante du procédé, un cas de panne est reconnu par la chute de tension sur des inductances de fuite parasitaire du système de câblage de circuit intermédiaire. Un mode de réalisation possible en est représenté à titre d'exemple à la figure 4. Le circuit réagit à la di/dt fortement positive, persistant nettement plus longtemps par rapport à des 20 opérations de commutation normales, dans une inductance Lc de fuite parasitaire. Ce circuit ne nécessite pas non plus de quelconques alimentations supplémentaires en courant. Après quelques ps, les disjoncteurs IGBT1... IGBT4 à semi-conducteur sont amorcés aussi dans ce circuit. Une di/dt est reconnue par un circuit 2 capteur, constitué d'un circuit RC ayant un condensateur C4 et les résistances R3, R4, R5. La source de tension commutable qui suit est la même qu'à la figure 3. Les circuits décrits comme exemples de réalisation ne nécessitent pas d'alimentation en courant supplémentaire. Cela est particulièrement 30 avantageux car une alimentation en puissance redondante et indépendante à haut potentiel de haute tension (jusqu'à quelques 10 kV) est très complexe. La solution est simple, robuste et peu onéreuse. Un entretien du circuit n'est pas nécessaire. Dans des installations à basse et moyenne puissance, il est possible d'utiliser des modules à IGBT au lieu de cellules de tranche à IGBT 35 (à contact par pression d'IGBT). LISTE DES SIGNES DE RÉFÉRENCE 1 2 1' 2' 11 12 21 22 Circuit capteur Circuit capteur Borne Borne Branche de convertisseur Branche de convertisseur Branche de convertisseur Branche de convertisseur UN UT UT Uss1...Ussn U0 Udcl. ..Udcn Lc Tension du réseau Tension primaire Tension secondaire Tension aux bornes Tension Tension Inductance de fuite IGBT1... IGBT4 D1...D4 T C DR VK R1...R5 C1.C3 V1 V2 UGE-ZUSATZ 35 Disjoncteur à semi-conducteur Diodes Transformateur de fréquence moyenne Condensateur de stockage Diode à alternance directe Thyristor de court-circuit Résistance Condensateurs Transistor de couplage Transistor de couplage Tension grille-émetteur supplémentaire REVENDICATIONS 1. Procédé pour court-circuiter un convertisseur partiel défectueux, qui est constitué comme un convertisseur de circuit intermédiaire de tension, 5 qui est connecté à au moins un condenseur (C) de circuit intermédiaire interne servant d'accumulateur d'énergie, dans un circuit série de convertisseurs partiels, caractérisé en ce que, en cas de panne, tous les disjoncteurs (IGBT1... IGBT4) à semi-conducteur du convertisseur partiel sont branchés, au moins pendant une brève durée, de manière à être durablement passants. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on obtient l'état passant en augmentant la tension grille-émetteur des disjoncteurs (IGBT1... IGBT4) à semi-conducteur. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on obtient l'état passant en connectant les disjoncteurs (IGBT1... IGBT4) à semi15 conducteur en ayant ensuite une déconnexion rapide pour un courant élevé. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on obtient l'état passant par un branchement extrêmement rapide des disjoncteurs (IGBT1... IGBT4) à semi-conducteur. 5. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 20 que la connexion et la déconnexion s'effectuent plusieurs fois. 6. Procédé suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les disjoncteurs (IGBT1... IGBT4) à semi-conducteur sont commandés par un circuit de reconnaissance de du/dt, qui est disposé en parallèle au condensateur (C) de circuit intermédiaire. 7. Procédé suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les disjoncteurs (IGBT1... IGBT4) à semi-conducteur sont commandés par un circuit de reconnaissance de di/dt, qui est monté en parallèle à une inductance (Lo) de fuite du convertisseur partiel.