Brevet FR2912545A1 — publié le 20080815

CONTACTEUR HYBRIDE CC HAUTE TENSION SANS RUPTEUR D'ARC CC CONTEXTE DE L'INVENTION Cette invention concerne de manière générale des systèmes d'alimentation pour véhicule, et plus particulièrement, des contacteurs à courant continu. Les véhicules, tels qu'un aéronef, reposent sur des contacteurs et des relais pour la protection et la commande de l'ouverture et de la fermeture de lignes d'alimentation en électricité. Un véhicule habituel peut contenir une centaine de contacteurs ou davantage. Dans un système à tension alternative, un courant électrique suit une forme d'onde, habituellement une onde sinusoïdale, et il existe un point de croisement à tension nulle sur cette forme d'onde. Si un contacteur est ouvert au niveau du point de croisement, le problème d'arc décrit ci-dessous qui existe dans des systèmes à courant continu n'apparaîtra pas. Dans un système à tension continue, il n'existe aucun point de croisement à tension nulle. Si un ensemble de contacts CC sont ouverts, un arc électrique se formera dans un espace rempli de gaz entre les contacts, et sans intervention continuera jusqu'à ce que l'espace entre les contacts électriques soit trop grand pour maintenir l'arc. Un arc peut produire une température très élevée et il n'est pas souhaitable dans un système d'alimentation pour véhicule puisqu'il peut endommager un contacteur et peut diminuer la durée de vie d'un contacteur. Une solution à ce problème est une extinction d'arc. Une extinction d'arc est utilisée pour étirer un arc sur une distance suffisante de telle sorte que la tension ne puisse plus supporter l'arc, et l'arc finira par se rompre. Cependant, dans un système CC haute tension, ce contacteur grandit de manière non souhaitable en raison de la taille requise pour l'extension d'arc et l'espacement important requis entre les contacts à l'intérieur du contacteur. Une autre solution au problème d'arc CC consiste à créer un conteneur hermétiquement scellé pour renfermer les contacts. Dans cette solution, le conteneur est habituellement en métal, et est habituellement brasé pour une étanchéité à l'air. Le conteneur est ensuite soit placé sous vide poussé pour retirer l'air, soit le conteneur est rempli avec un gaz inerte. L'absence d'air diminue la distance sur laquelle l'arc peut être maintenu par la tension dans l'atmosphère autour des contacts. Des aimants latéraux sont parfois utilisés dans un contacteur hermétiquement scellé pour tirer l'arc et finalement le rompre. La cavité hermétique de la construction rend cependant la fabrication du contacteur difficile et coûteuse. Un besoin existe quant à un contacteur à faible coût et/ou non-hermétique capable d'interrompre un courant CC haute tension avec 10 une haute fiabilité, de préférence sans recourir à une extinction d'arc. RESUME DE L'INVENTION La présente invention aborde le problème de formation d'arc CC par l'intermédiaire d'un contacteur hybride. Le contacteur hybride 15 combine un ensemble classique de contacts principaux mécaniques et un interrupteur à semi-conducteur haute tension. L'interrupteur à semi-conducteur met un chemin de courant parallèle à disposition des contacts principaux. Un ensemble de contacts auxiliaires secondaires en série avec l'interrupteur à semi-conducteur peut également être 20 utilisé. Lorsque les contacts principaux doivent être ouverts ou fermés, l'interrupteur à semi-conducteur est fermé, ce qui déroute le courant à distance des contacts si bien qu'aucun arc n'est formé lorsque les contacts principaux sont ouverts ou fermés. Une fois que les contacts principaux sont ouverts ou fermés, l'interrupteur à semi-conducteur est 25 ensuite ouvert. Les contacts auxiliaires, s'ils existent sont fermés avant de fermer l'interrupteur à semi-conducteur, et sont ouverts avant d'ouvrir l'interrupteur à semi-conducteur. Ces caractéristiques et d'autres de la présente invention peuvent être mieux comprises à la lecture de la spécification et des dessins 30 suivants dont une brève description est donnée ci-dessous. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un contacteur employant la présente invention. 35 La figure 2 illustre un contacteur employant la présente invention, avec un dispositif de commande logique associé. La figure 3 illustre un interrupteur à semi-conducteur pour un contacteur CC unidirectionnel. La figure 4 illustre un interrupteur à semi-conducteur pour un contacteur CC bidirectionnel. La figure 5 illustre la présente invention dans l'environnement exemplaire d'un aéronef. DESCRIPTION DETAILLE DU MODE DE REALISATION PREFERE La figure 1 illustre une représentation vue de haut d'un contacteur constituant un mode de réalisation de la présente invention. Un contacteur 10 combine un ensemble classique de contacts mécaniques principaux 12 et un interrupteur à semi-conducteur haute tension 14. L'interrupteur à semi-conducteur 14 met un chemin de courant parallèle à disposition des contacts principaux 12. Les contacts principaux 12 pourraient comprendre un fil entrant, un fil sortant, et une partie mobile pour les connecter, ou les contacts principaux 12 pourraient comprendre une pluralité de fils entrants, une pluralité de fils sortants, et une partie mobile pour les connecter. Un ensemble de contacts auxiliaires facultatifs 20 est connecté en série à l'interrupteur à semi-conducteur 14. Un circuit d'attaque de porte 16 fonctionne de façon à ouvrir et fermer l'interrupteur à semi-conducteur 14. Lorsque le circuit d'attaque de porte 16 est mis en circuit, l'interrupteur à semi-conducteur 14 se ferme, et lorsque le circuit d'attaque de porte 16 est mis hors circuit, l'interrupteur à semi-conducteur 14 s'ouvre. Une bobine 18 de contacteur est utilisée pour alimenter un arbre d'actionnement 22. L'arbre d'actionnement 22 ouvre et ferme mécaniquement les contacts principaux 12 et les contacts auxiliaires facultatifs 20. Des lignes de connexion 24 et 26 connectent le contacteur 10 à des composants de circuit externe. Un dispositif de commande 28 commande le circuit d'attaque de porte 16 et la bobine 18 de contacteur. Une source d'alimentation 29 alimente le circuit d'attaque de porte 16. Lorsque le dispositif de commande 28 requiert du contacteur 10 qu'il relaie un courant, un signal d'ordre est donné pour fermer le contacteur 10, les contacts auxiliaires 20 sont fermés, puis l'interrupteur à semi-conducteur 14 est fermé, puis les contacts principaux 12 sont fermés. Au cours de la brève période de temps pendant laquelle les contacts principaux 12 sont fermés, un courant circule à travers l'interrupteur à semi-conducteur 14. Avec ce chemin parallèle, la tension à travers les contacts principaux 12 est proche de zéro lorsque les contacts sont fermés. Ceci empêche une formation d'arc lorsque les contacts principaux 12 se ferment, et augmente également la durée de vie des contacts. Une fois que les contacts principaux 12 ont été fermés, l'interrupteur à semi-conducteur 14 est ouvert, puis les contacts auxiliaires 20 sont ouverts. L'ouverture de l'interrupteur à semi-conducteur 14 peut être basée soit sur une temporisation soit sur une rétroaction. Quels que soient les critères utilisés pour la décision, le dispositif de commande 28 décidera toujours du moment de fermeture des contacts principaux 12. Lorsque le dispositif de commande 28 requiert du contacteur 10 qu'il cesse de relayer un courant, un signal d'ordre est donné pour ouvrir le contacteur 10, les contacts auxiliaires 20 sont fermés, puis l'interrupteur à semi-conducteur 14 est fermé, puis les contacts principaux 12 sont ouverts. Comme dans le cas de l'ordre de fermeture des contacts principaux 12, le chemin de courant parallèle mis à disposition par l'interrupteur à semi-conducteur 14 empêche la formation d'un arc CC entre les contacts principaux 12 en déroutant la circulation de courant à distance des contacts principaux 12. Une fois que les contacts principaux 12 ont été ouverts, l'interrupteur à semi-conducteur 14 est ouvert, puis les contacts auxiliaires 20 sont ouverts. Un interrupteur à semi-conducteur 14 classique contient du silicium qui s'échauffe très rapidement. Le contacteur 10 est conçu de telle sorte que l'interrupteur à semi-conducteur 14 reste fermé pendant une période de temps extrêmement brève. Ceci empêche l'interrupteur à semi-conducteur 14 de surchauffer, et ceci empêche également de recourir à un dissipateur thermique pour refroidir l'interrupteur à semi- conducteur 14. Les contacts auxiliaires 20 sont facultatifs, et offrent une sécurité additionnelle, puisqu'ils préviennent l'existence d'une haute tension au niveau des connexions de lignes 24 et 26 de borne de sortie de contacteur. L'interrupteur à semi-conducteur 14 est un interrupteur basé sur un transistor, et porte en lui le risque que même s'il est ouvert, une circulation partielle de courant puisse toujours traverser l'interrupteur. Les contacts auxiliaires 20 empêchent ce problème en prévoyant une isolation galvanique sur les connexions de lignes 24 et 26 de borne de sortie. Ainsi, bien que les contacts auxiliaires 20 soient facultatifs, il est souhaitable de les incorporer dans un contacteur. La figure 2 illustre un schéma simplifié plus détaillé d'un contacteur 30 constituant un mode de réalisation de la présente invention et incorporant certaines caractéristiques connues dans la technique. Une unité de commande externe 58 transmet des ordres à un dispositif de commande 44 soit pour ouvrir soit pour fermer le contacteur 30. Un module de sortie distinct 50 fournit des informations d'état à un connecteur de commande 48, qui transmet ensuite les informations d'état à un dispositif de commande système externe 59. Un bloc d'alimentation 46 est alimenté par une source d'alimentation externe 57 et alimente un circuit d'attaque de porte 36, un dispositif de commande 44, et le connecteur de commande 48. Le contacteur 30 comprend en outre des contacts principaux 32, un interrupteur à semi-conducteur 34, une bobine 38 de contacteur, un ensemble de contacts auxiliaires 40, et un arbre d'actionnement 42 qui fonctionnent tous tel que décrit ci-dessus. Le contacteur 30 comprend en outre un capteur de courant 54 et un capteur de courant 56. Le capteur de courant 54 contrôle le courant dans la bobine 38 de contacteur. Le capteur de courant 56 est utilisé pour avertir le dispositif de commande 44 dans le cas où un défaut serait détecté. Comme sur la figure 1, les contacts auxiliaires 40 sont facultatifs. Si le dispositif de commande 44 reçoit un message de fermeture du contacteur 30, le dispositif de commande 44 procède tout d'abord à une vérification pour s'assurer que les contacts principaux 32 sont réellement ouverts. Le dispositif de commande 44 utilise le capteur de courant 54 pour obtenir de la bobine 38 de contacteur une confirmation du fait que les contacts principaux 32 sont réellement ouverts. Si les contacts principaux 32 sont déjà fermés, alors l'ordre de fermeture des contacts principaux 32 est annulé. S'il reçoit une confirmation du fait que les contacts principaux 32 sont réellement ouverts, le dispositif de commande 44 utilise un circuit d'attaque à modulation de durée d'impulsion (PWM) 52 pour activer l'arbre d'actionnement 42 afin de fermer les contacts auxiliaires 40. Le dispositif de commande 44 ferme ensuite l'interrupteur à semi- conducteur 34, puis ferme les contacts principaux 32. Une fois que les contacts principaux 32 ont été réellement fermés, l'interrupteur à semi-conducteur 34 est ouvert, et les contacts auxiliaires 40 sont ouverts. Comme sur la figure 1, l'interrupteur à semi-conducteur 34 est fermé uniquement pour une période de temps extrêmement brève, et la formation d'un arc est empêchée. Lorsque le dispositif de commande 44 reçoit un ordre d'ouverture des contacts principaux 32, il confirme de manière similaire que les contacts principaux 32 sont réellement fermés. Si les contacts principaux 32 sont déjà ouverts, l'ordre est annulé. Si le dispositif de commande 44 reçoit confirmation du capteur de courant 54 que les contacts principaux 32 sont réellement fermés, le dispositif de commande 44 utilise alors le circuit d'attaque PWM 52 pour fermer les contacts auxiliaires 40. Le dispositif de commande 44 ferme ensuite l'interrupteur à semi-conducteur 34, ouvre les contacts principaux 32, ouvre l'interrupteur à semi-conducteur 34, puis ouvre les contacts auxiliaires 40. Les figures 3 et 4 illustrent des exemples d'interrupteurs à semi-conducteurs qui peuvent être utilisés de manière interchangeable dans les contacteurs des figures 1 et 2, suivant que l'on souhaite un contacteur unidirectionnel ou bidirectionnel. Un contacteur unidirectionnel transporte un courant dans une seule direction. Un exemple de contacteur unidirectionnel pourrait transporter un courant depuis une source d'alimentation pour véhicule jusqu'à une charge. Un contacteur bidirectionnel est capable de transporter un courant dans l'une ou l'autre direction. Cependant, les contacteurs bidirectionnels sont habituellement plus coûteux à produire. Un exemple de contacteur bidirectionnel est un contacteur papillon. La figure 3 illustre un interrupteur à semi-conducteur 60 pour un contacteur CC unidirectionnel. L'interrupteur à semi-conducteur 60 comprend à la fois un transistor 62 et une diode 64 connectés en parallèle. Dans un exemple, le transistor 62 pourrait être un transistor bipolaire à porte isolée (IGBT) ou un transistor MOSFET haute tension. L'interrupteur à semi-conducteur 60 possède trois connexions : une première connexion de ligne 66, une deuxième connexion de ligne 68, et une connexion 70 de circuit d'attaque de porte. Dans cet exemple de contacteur CC unidirectionnel, le courant entrerait par la connexion de ligne 66 et sortirait par la connexion de ligne 68. La connexion 70 de circuit d'attaque de porte serait branchée à un circuit d'attaque de porte externe qui pourrait être mis en fonctionnement de façon à mettre HORS CIRCUIT ou EN CIRCUIT l'interrupteur à semi-conducteur 60. La figure 4 illustre un interrupteur à semi-conducteur 80 pour un contacteur CC bidirectionnel. L'interrupteur à semi-conducteur 80 contient une première paire de transistor 82 et de diode 84, et une seconde paire de transistor 86 et de diode 88. Le transistor 82 et la diode 84 sont parallèles l'un par rapport à l'autre, et le transistor 86 et la diode 88 sont parallèles l'un par rapport à l'autre. La première paire de transistor et de diode est reliée en série à la seconde paire de transistor et de diode. Comme sur la figure 3, dans un exemple, les transistors 82 et 86 pourraient être des transistors IGBT ou des transistors MOSFET haute tension. L'interrupteur à semi-conducteur 80 possèdent quatre connexions externes : une première connexion de ligne 90, une deuxième connexion de ligne 92, et deux connexions 94 et 96 de circuit d'attaque de porte. Les connexions 94 et 96 de circuit d'attaque de porte se connecteraient à un seul circuit d'attaque de porte, qui pourrait être mis en fonctionnement pour mettre HORS CIRCUIT ou EN CIRCUIT l'interrupteur à semi-conducteur 80. La figure 5 illustre la présente invention dans l'environnement exemplaire d'un aéronef. Le contacteur 30 est positionné entre une source d'alimentation 57 et une charge 102. Une unité de commande 58 fournit des ordres au contacteur 30, et un dispositif de commande système 59 obtient des données du contacteur 30. Bien qu'un mode de réalisation préféré de cette invention ait été décrit, un homme du métier comprendra que certaines modifications pourraient être apportées dans la portée de cette invention. Pour cette raison, les revendications suivantes devront être étudiées de façon à déterminer la véritable portée et le véritable contenu de cette invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Contacteur haute tension (10, 30), comprenant : un ensemble de contacts principaux (12, 32), dans lequel les 5 contacts principaux (12, 32) mettent à disposition un premier chemin de courant ; et un interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80) en parallèle avec les contacts principaux (12, 32), dans lequel l'interrupteur à semi- conducteur (14, 34, 60, 80) met à disposition un second chemin de 10 courant parallèle, et dans lequel le second chemin de courant parallèle déroute un courant à distance des contacts principaux (12, 32) lorsque les contacts principaux (12, 32) sont ouverts ou fermés. 2. Contacteur (10, 30) selon la revendication 1, comprenant en outre un circuit d'attaque de porte (16, 36), dans lequel le circuit 15 d'attaque de porte (16, 36) est connecté à l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80) et peut être mis en fonctionnement pour mettre HORS CIRCUIT ou EN CIRCUIT l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80). 3. Contacteur (10, 30) selon la revendication 2, comprenant en 20 outre : une bobine (18, 38) de contacteur ; et un arbre d'actionnement (22, 42), dans lequel les contacts principaux (12, 32) comprennent des fils espacés avec une partie mobile pour les connecter, et dans lequel la bobine (18, 38) de contacteur 25 alimente l'arbre d'actionnement (22, 42) pour ouvrir et fermer les contacts principaux (12, 32). 4. Contacteur (10, 30) selon la revendication 3, comprenant en outre : un premier capteur de courant (54), dans lequel le premier 30 capteur de courant (54) contrôle l'état de la bobine (18, 38) de contacteur ; un dispositif de commande (28, 44) ; qui peut être mis en fonctionnement pour commander le circuit d'attaque de porte (16, 36) ; un circuit d'attaque à modulation de durée d'impulsion (52) 35 connecté au dispositif de commande (28, 44) et connecté au premier capteur de courant (54), dans lequel le circuit d'attaque à modulation de durée d'impulsion (52) alimente la bobine (18, 38) de contacteur ; etdans lequel le dispositif de commande (28, 44) commande le circuit d'attaque à modulation de durée d'impulsion (52) ; un module de sortie distinct (50), dans lequel le module de sortie distinct (50) obtient du dispositif de commande (28, 44) des 5 informations sur l'état des contacts principaux (12, 32) ; un connecteur de commande (48), dans lequel le connecteur de commande (48) obtient du module de sortie distinct (50) des données d'état de contacteur, et transmet ces données à un composant externe, et dans lequel le connecteur de commande (48) est commandé par le 10 dispositif de commande (28, 44) ; et un bloc d'alimentation (46), qui est alimenté par une source d'alimentation externe (57), et alimente le dispositif de commande (28, 44), le circuit d'attaque de porte (16, 36), et le connecteur de commande (48). 15 5. Contacteur (10, 30) selon la revendication 4, comprenant en outre un second capteur de courant (56), dans lequel le second capteur de courant (56) peut être mis en fonctionnement pour détecter des conditions de défaut et avertir le dispositif de commande (28, 44) de toutes ces conditions. 20 6. Contacteur (10, 30) selon la revendication 5, comprenant en outre un ensemble de contacts auxiliaires (20, 40) en série avec l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80), dans lequel l'arbre d'actionnement (22, 42) peut également être mis en fonctionnement pour ouvrir et fermer les contacts auxiliaires (20, 40), et dans lequel le 25 module de sortie distinct (50) obtient également des contacts auxiliaires (20, 40) des données d'état. 7. Contacteur (10, 30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80) est fermé avant une ouverture ou une 30 fermeture des contacts principaux (12, 32), et dans lequel l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80) est ouvert après une ouverture ou fermeture des contacts principaux (12, 32). 8. Contacteur (10, 30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'interrupteur à semi- 35 conducteur (14, 34, 60, 80) comprend un transistor (62) et une diode (64) en parallèle. 9. Contacteur (10, 30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80) comprend une première paire de transistor (82) et de diode (84) parallèles l'un par rapport à l'autre, couplés en série à une seconde paire de transistor (86) et de diode (88) parallèles l'un par rapport à l'autre. 10. Contacteur (10, 30) selon la revendication 1, comprenant en outre un ensemble de contacts auxiliaires (20, 40) en série avec l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80), dans lequel les contacts auxiliaires (20, 40) fournissent une isolation galvanique entre une borne d'entrée et une borne de sortie. 11. Contacteur (10, 30) selon la revendication 10, dans lequel une structure peut être mise en fonctionnement pour ouvrir ou fermer les contacts auxiliaires (20, 40). 12. Contacteur (10, 30) selon la revendication 11, dans lequel l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80) est fermé avant une ouverture ou une fermeture des contacts principaux (12, 32), et dans lequel l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80) est ouvert après une ouverture ou une fermeture des contacts principaux (12, 32). 13. Contacteur (10, 30) selon la revendication 12, dans lequel l'arbre d'actionnement (22, 42) peut être mis en fonctionnement pour fermer les contacts principaux (12, 32) et les contacts auxiliaires (20, 40), et dans lequel l'arbre d'actionnement (22, 42) ferme les contacts auxiliaires (20, 40) avant que l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80) ne soit fermé, et dans lequel l'arbre d'actionnement (22, 42) peut être mis en fonctionnement pour ouvrir les contacts auxiliaires (20, 40) après que l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80) a été ouvert. 14. Procédé de fermeture et d'ouverture d'un contacteur haute 30 tension (10, 30), comprenant les étapes consistant à : 1) disposer un interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80) en parallèle par rapport à un ensemble de contacts principaux (12, 32) ; 2) puis déplacer les contacts principaux (12, 32) soit pour les ouvrir, soit pour les fermer ; 35 3) faire passer un courant à travers ledit interrupteur à semi-conducteur au cours de l'étape 2). 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'interrupteur à semi-conducteur (14, 34, 60, 80) est fermé pendant une très brève période de temps. 16. Procédé selon la revendication 15, comprenant en outre les étapes consistant à fermer un ensemble de contacts auxiliaires (20, 40) avant l'étape 1), et ouvrir les contacts auxiliaires (20, 40) après l'étape 3).