FR 2618276 A1 19890120 FR 8710101 A 19870715 i 26182?6 L'invention concerne un commutateur électronique à contrôle de puissance et protections intégrés, pour des circuits électriques du type de ceux comprenant, un interrupteur statique, un dispositif de contrôle du courant et un dispositif de commande de l'interrupteur statique en fonction du courant le traversant. Dans les dispositifs connus de ce genre (Fig 1), un semi-conducteur, tel qu'un transistor à jonction ou à effet de champ (MOS), réalise la fonction de fermeture et/ou ouverture du circuit électrique à protéger. Cette fonction est commandée par un signal électrique extérieur tout ou rien, de faible puissance tel qu'une simple commande MARCHE-ARRET. Un dispositif de mesure de courant, réalisé par un shunt sh et un amplificateur AI, assure la limitation du courant en agissant sur la commande du transistor TR. Cette fonction limitation est nécessaire pour ne pas dépasser les limites en courant du transistor si la limitation en courant excède un certain temps, déterminé généralement par les caractéristiques de puissance du transistor. C'est la fonction disjoncteur du commutateur. Un intégrateur IT permet de donner de l'inertie au dispositif pour éviter les disjonctions intempestives. Un premier problème, inhérent à cette architecture, est l'extrême sollicitation thermique du transistor de commutation pendant les phases de limitation en courant. La puissance dissipée dans TR peut atteindre la puissance à commander lorsque la charge est en court-circuit. Pour éviter la destruction de TR, on a deux possibilités, soit limiter dans le temps les phases de contrôle de courant avant disjonction, soit surdimensionner TR. Si le temps avant disjonction est trop court, ce type de commutateur sera inutilisable en présence de charges motrices ou capacitives. En effet, ces charges absorbent 2 2618276 des courants de 2 à 5 fois leur courant nominal pendant plusieurs centaines de millisecondes. Le surdimensionnement de TR est difficile car les transistors de fortes puissances sont très onéreux, surtout dans les technologies MOS. La mise en parallèle de plusieurs transistors de faible puissance n'est pas possible, car nous avons une commnande de type linéaire qui interdit cette posssibilité. Les dispersions des caractéristiques des transistors en sont la raison. Le deuxième problème réside dans la difficulté à fermer ou ouvrir le circuit à commander de façon progressive, dans le but de limiter les transitions brutales de tension ou d'intensité, génératrices de surtensions ou de surintensités. Les solutions du premier problème ont conduit à définir des transitions très rapides, en contradiction avec les objectifs de coupure lente. Pour limiter les surtensions et les surintensités, on a recours à des circuits d'aide à la commutation. Un autre problème apparaît au niveau du circuit de contrôle du courant. L'ensemble transitor TR shunt Sh et ampli Al constitue un asservissement. Cet asservissement a des contraintes de stabilité et de temps de réponse qui obligent à utiliser un amplificateur très rapide de la classe 50 Volts par microsencondes. Le commutateur électronique selon l'invention permet de résoudre ces problèmes. Pour cela, l'invention propose une nouvelle architecture de commutateur caractérisé en ce que l'interrupteur statique est constitué par la mise en parallèle de plusieurs ensembles de commutations, comprenant chacun un commutateur semi-conducteur en série avec un élément résistif, ces ensembles ayant des caractéristiques différentes et étant successivement 3 tI 2618276 commandés par un séquenceur électronique, piloté d'une part par une commande extérieure et d'autre part par le dispositif de contrôle de courant. Ce commutateur réunit les fonctions suivantes: - Fermeture et ouverture d'un circuit électrique, - Contrôle et limitation du courant, - Disjonction contrôlée et temporisée. La fonction de fermeture et d'ouverture est réalisée par un ensemble de transistors TR1 à TRn montés en parallèle. Le terme transistor désigne des dispositifs à semi-conducteurs tels que les transistors à jonction, les circuits MOS, les thyristors, les triacs ou les thyristors GTO. Leur choix dépend de la nature du courant à contrôler (continu ou alternatif) et de la puissance à commander. La fonction de limitation de courant est réalisée par des résistances R1 à Rn. Ces résistances sont capables d'absorber des surcharges très importantes pendant des temps très courts. Pour éviter leur destruction, les calories dissipées sont évacuées vers un dispositif de refroidissement classique. Ces résistances sont en série avec les transistors précédemment décrits, et leur valeur ohmique est définie de telle sorte que, même si la charge Rc est en court-circuit, le courant reste toujours inférieur au courant de destruction du transistor, placé dans chaque ensemble. Un séquenceur électronique assure les mises en série successives des ensembles "résistance-transistor", en fonction du courant mesuré dans le circuit, par des moyens adéquats. Si le circuit électrique est à courant continu, les commutateurs semiconducteurs seront, soit des transistors à jonction, soit des transistors MOS, montés en série avec des résistances et les moyens de mesure du courant parcourant le circuit consisteront en un shunt associé à un comparateur de tension. Par contre, si le circuit électrique est en courant alternatif, les commutateurs semiconducteurs seront des commutateurs bidirectionnels, c'est à dire soit des triacs, des transistors montés tête-bêche ou des circuits MOS également montés tête-bêche. Dans ce cas, les moyens de mesure du courant parcourant le circuit consisteront en un transformateur d'intensité associé à un comparateur. Dans tous les cas, lorsque l'on ferme la commande extérieure du circuit, le séquenceur active un premier ensemble de commutation, celui ayant la plus grande valeur ohmique, puis un second moins résistant et ce, juqu'au dernier ensemble qui n'a pas de résistance en série et qui court-circuite tous les autres ensembles, lorsque le courant traversant le circuit a atteint le courant nominal In correspondant à la charge. On a ainsi réalisé un rhéostat électronique dont la progression dépend du nombre d'ensembles en parallèle et de la valeur des résistances. Si le nombre d'ensemble est élevé, la variation sera progressive. La courbe de progression peut donc être adaptée à la charge à commander en ayant des résistances de valeurs différentes. Ceci intéresse les charges non linéaires comme, par exemple les moteurs. Si le nombre de résistances est faible, le minimum étant une résistance, la variation sera brutale. Ce sera le cas des charges linéaires comme les résistances ou les charges selfiques. Si une commande "ouverture circuit" apparaît, le séquenceur ouvre alors chaque ensemble dans l'ordre inverse de la fermeture. Cette ouverture progressive a pour but 2618276 d'atténuer les extra courants de rupture et de limiter les variations de charge de la génération électrique. Si, après une commande fermeture et en régime établi, il apparaît une surcharge électrique, le détecteur de courant commande le séquenceur pour déclencher l'ouverture du dernier commutateur, n'ayant pas de résistance en série. Le système se place alors en limitation de courant, grâce aux résistances de chaque ensemble de commutation. Si le défaut persiste, tous les transistors s'ouvrent et le commutateur se met dans l'état disjoncté. Si le défaut disparaît pendant la phase de limitation, le séquenceur remet en conduction le dernier commutateur sans résistance en série. Tous les scénarios de surcharges sont possibles. Si après une commande fermeture circuit, une surcharge apparaît (cas du démarrage d'un moteur ou charge d'un condensateur) le séquenceur laisse en conduction le premier ensemble TRR jusqu'à TRn. Dans le cas contraire (surcharge 1 n- persistante) le commutateur se met dans l'état disjoncté. Il faut noter que, pendant les phases de démarrage, la référence de tension est pilotée par le séquenceur et évolue suivant une loi qui se rapproche des courbes de démarrage des moteurs ou de charge des condensateurs. Les surcharges de courant admissibles suivent cette courbe et peuvent atteindre 3 à 5 fois la valeur nominale pendant une fraction de seconde. D'autre part, si en cours de fonctionnement, il y a coupure passagère de la tension d'entrée, le séquenceur assimile cette coupure à une commande MARCHE-ARRET, grâce à un circuit de surveillance d'alimentation (MST); Cette nouvelle architecture élimine donc les principaux problèmes liés à l'architecture classique. - Il n'y a pas de sollicitation thermique des transistors. Ceux-ci travaillant uniquement en régime saturé ou bloqué, les puissances dissipées sont très faibles, de quelques watts. D'autre part, ce fonctionnemnt autorise la mise en parallèle de plusieurs transistors avec les avantages que cela procure au niveau des coûts. - Les surtensions et les surintensités causées par les ouvertures et fermetures brusques sont supprimées grâce à des phases d'ouverture et de fermeture progressives. - Le circuit de contrôle et de commande des transistors ne demande pas de performances particulières au sens de la rapidité et de la stabilité. Les dessins annexés, illustrent divers modes de réalisation du dispositif. - La figure 1 représente un commutateur électronique selon l'état de la technique, - La figure 2 est le schéma d'un dispositif de commutation selon l'invention adapté pour un circuit à courant continu, - La figure 3 représente un exemple de réalisation selon la figure 2, - Les figures 4, 5 et 6 représentent diverses possiblités d'évolution du courant dans un circuit électrique équipé d'un dispositif de commutation selon l'invention, - La figure 7 est le schéma d'un dispositif de commutation selon l'invention pour un circuit en courant alternatif, Tel que représenté figure 2, le dispositif de commutation 3 s'intègre entre une source de tension continue 1 et une charge R et est commandé par un interrupteur c MARCHE-ARRET 12. Il comprend un réseau de plusieurs ensembles de commutation TR -R1, TRn-R. n, mis en parallèles et I. n n constitués par des commutateurs semiconducteurs TR1...TRn, respectivement, en série avec des résistances R1...Rn. 7 2618276 Une dernière branche de ce- réseau ne comporte pas de résistance mais seulement un commutateur semi-conducteur TR. Le courant est mesuré au moyen d'un shunt 6 associé p à un comparateur de tension 7 dont l'information, sous forme digitale, permet de commander un séquenceur 4 qui active successivement les divers transistors TR1...TR et TRp, selon l'évolution du courant dans le circuit. Un circuit 2 de surveillance de la tension d'alimentation 1 agit également sur le séquenceur ainsi que la commande MARCHE-ARRET 12. La figure 3 nous montre les détails de cette architecture. La partie commutateur de puissance est représentée par les transistors MOS T1,Tnl...Tn et Tp associés aux résistances de limitation R1...à Rn. Un shunt 6 est associé aux comparateurs 7, 8 et 9 pour assurer le contrôle en courant du dispositif de commutation. Le comparateur 7 assure le contrôle en courant pendant les phases de mise sous tension et en régime établi. Sa tension de référence U est issue du circuit 5. Cette tension, image du courant à contrôler, évolue dans le temps. Elle sera importante à la mise sous tension puis atteindra progressivement une valeur fixe correspondant au courant nominal du dispositif de commutation. Les évolutions sont commandées par le séquenceur 4 qui assure aussi le contrôle des transistors T1 à Tp. Il est piloté par un générateur à rampe 11. Ce générateur à rampe est commandé par la commande MARCHE-ARRET ou par le superviseur d'alimentation 2. Le comparateur 8 assure la surveillance haute du courant de limitation fixé à une valeur située entre 3 et 8 IN. Son basculement entraîne la mise en conduction du thrystor 10. Lorsque ce thrystor conduit, la commande MARCHE-ARRET est inhibée, ce qui entraîne l'ouverture immédiate des 8 2 2618276 transistors T1 à Tp. A noter que la commande 12 est isolée galvaniquement du circuit par exemple au moyen d'un photocoupleur 14. Le réarmement du dispositif de commutation est assuré par la mise sur ARRET de la commande 12 qui entraîne le désamorçage du thrystor 10. Le comparateur 9 a pour rôle de surveiller le minimum de courant, réglé à environ 1/10 de la valeur nominale, il ne met en conduction que le transitor T1 et la résistance R1. Cette surveillance est nécessaire dans le cas o la charge est déconnectée puis reconnectée, l'interrupteur 12 étant en position MARCHE. Si cette précaution n'est pas prise, lors de la reconnection de la charge, les courants d'appels seraient très importants d'o risque de destruction du transistor Tp. Avec ce dispositif, l'on conserve la mise en conduction séquentielle des transistors MOS. L'ensemble des circuits électroniques du dispositif est alimenté par un convertisseur 13 qui prélève son énergie sur la tension d'alimentation Ve. La figure 4 représente les signaux après une commande MARCHE. Les valeurs de temps et d'intensité sont données à titre indicatif. Elles peuvent varier en fonction des applications. La fin des signaux correspond à une ouverture de l'interrupteur 12. On peut voir: - ligne a: que la phase de montée en courant a1 est beaucoup plus longue que la phase de descente a2, - ligne b: l'état en conduction de T1 - ligne c: l'état en conduction de Tn' - ligne d: l'état en conduction de Tn# - ligne e: l'état en conduction de Tp, - ligne f: sortie du circuit 5, la courbe de déclenchement du dispositif de commutation. 9 2618276 La figure 5 représente différentes formes de courants traversant le dispositif. - La ligne g représente le courant absorbé par un moteur. A la fermeture du circuit, le courant décroît et s'inscrit sous la courbe de déclenchement gl jusqu'à atteindre son régime établi, inférieur à I nominal. Une première surcharge passagère apparaît g2, ce qui entraîne l'ouverture momentanée h1 de Tp. Dès que la surcharge disparaît, le transistor Tp redevient conducteur. Ensuite apparaît une série de surcharges g3 entraînant l'ouverture répétée de Tp. Le circuit 12 intègre ce défaut et commande la conduction du thyristor 10.Le commutateur est en situation de disjonction. La figure 6 montre les effets produits par l'ouverture de la charge alors que la commande est sur MARCHE. sur les lignes k et 1, dès que le comparateur 9 figure 3 a détecté une ouverture de la charge, le système se reconfigure en attente de fermeture de charge. Le circuit 11 positionne la courbe de déclenchement gl à une valeur correspondant à la phase de démarrage de la charge. Les lignes 1 jusqu'à p représentent les variations d'état des transistors T1 à Tp. Sur la figure 7 on voit un dispositif de commutation agencé pour le contrôle d'un circuit en courant alternatif. Les ensembles de commutation sont réalisés avec des commutateurs bidirectionnels 70, 71, 72 tels que par exemple des thrystors ou des circuits MOS montés tête-bêche. A noter qu'il serait également possible d'utiliser des triacs. Dans cette configuration, le dispositif de mesure de courant est un transformateur d'intensité 73 associé au comparateur 74. L'invention se prête particulièrement bien à la réalisation de disjoncteurs statiques et de relais à contrôle de puissance dans le domaine aéronautique. l0 REVENDICATIONS 1 - Dispositif de commutation électronique à contrôle de puissance et protections intégrés, pour des circuits électriques comprenant, un interrupteur statique, un dispositif de contrôle du courant et un dispositif de commande de l'interrupteur statique en fonction du courant le traversant caractérisé en ce que l'interrupteur statique est constitué par la mise en parallèle de plusieurs ensembles de commutation, constitués chacun par un commutateur semi-conducteur en série avec un élément résistif, ces ensembles ayant des caractéristiques différentes et étant successivement commandés par un séquenceur électronique, piloté d'une part par une commande extérieure et d'autre part par le dispositif de contrôle du courant. 2 - Dispositif de commutation électronique selon revendication 1, caractérisé en ce que, pour controler un circuit électrique courant continu, les commutateurs semi-conducteurs sont des transistors à jonction montés en série avec des résistances et le dispositif de contrôle du courant consiste en un shunt associé à un comparateur de tension. 3 Dispositif de commutation électronique selon revendication 1, caractérisé en ce que, pour contrôler un circuit électrique en courant continu, les commutateurs semi-conducteurs sont des transistors MOS montés en série avec des résistances et le dispositif de contrôle du courant consiste en un shunt associé à un comparateur de tension. l 2618276 4 - Dispositif de commutation électronique selon revendication 1. caractérisé en ce que, pour contrôler un circuit électrique en courant alternatif, les commutateurs semi-conducteurs sont des commutateurs bidirectionnels, et le dispositif de mesure du courant est un transformateur d'intensité associé à un comparateur. - Dispositif de commutation électronique selon revendication 4, caractérisé en ce que les commutateurs bidirectionnels sont des triacs. 6 - Dispositif de commutation électronique selon revendication 4, caractérisé en ce que les commutateurs bidirectionnels sont des thristors montés tête-bêche. 7 - Dispositif de commutation électronique selon revendication 4, caractérisé en ce que les commutateurs bidirectionnels sont des circuits MOS montés tête-bêche.