Disjoncteur à transistor 100 A 48 V

oo

CO

INFORMATIONS

N ^° 3 AVRIL 1976

Disjoncteur à transistor 100 A 48 V

La

protection efficace des é

quipements

semiconducteurs de

puissance

pose

de

multiples

probl

èmes

:

Court circuits francs

de la charge, r

é

enclenchementsur

court-circuits

,surcharges

de faible amplitude

etde longue

durée

,

bilan é

conomique,

Sescosem

, gr

â

ce au

transistor 100 A

qu

’elle a dé

velopp

é

,

propose ici

une

solution originale .

Un nouveau Thyristor permet la réalisation d ’un onduleur à 40 KHz.

Afin

de

réduire

les

dimensions

et

les coûts des éléments

auxiliaires

dans les onduleurs

,

les

techniciens

utilisent des

fr

é

quences

de

plus

en plus élevées

et

sont souvent

limit

és dans cette

voie par les performances

des

Thyristors

de

commutation.

Sescosem avec

le

ESM

313,propose

une solution à

ce probl

è

me

.

18 Les circuits de commande à transistors pour moteurs basse tension

R éaliser un

variateur de

vitesse

pour

des puissances

comprises

entre

0,

5 et

10

kW fait

intervenir de

nombreux critères

:

coût

, volume, poids,

etc

..

.

Cet article dé

montre

que l’

emploi de

transistors

de puissance

de commutation adapté

s

et utilisés dans des circuits

bien

étudiés

permet

d

’

obtenir

des

résultats remar-

quables.

Quelques applications au redressement des diodes rapides.

Supprimant les pertes de commutation et

, au moment du blocage,

les surtensions

,

les diodes

rapides permettent d’optimiser les dimensions des composants qui leur sont

associés .

34

L’

allumage

des

moteurs

à

explosion

construits en

Europe, du fait de

l’utilisation de taux

de compression,

et de vitesses

de rotation

élevées

pose

des problè

mes sp

éci -

fiques

.

Sescosem

a

cr éé le ESM 233 Darlington ré

pondant

à

la

demande

des

fabricants

de dispositifs

d’

allumage.

BUX 37

Un nouveau Transistor Darlington pour l’allu ^- mage automobile.

Utilisation du circuit TDB 0791 ^pour la r é gu - lation de temp érature et de lumière.

Constitué d

’

un amplificateur différentiel sensible associé à un

amplificateur

de

puissance,

le TDB 0791 avec un

gain

différentiel en boucle ouverte > ^{50000 et}

^{un courant}

de sortie >

¹

^A

apporte une

solution

simple

à maints problèmes de

r

é

gulation

.

42 ^{TDA 1065}

^-

^{TDA 1066 - TDA 1067}

Circuits int égrés pour la commande et la ré gu ^- lation en continu ou par d é coupage .

R é

guler

la vitesse

de petits moteurs

à

aimant permanent,

commander directement un relais à partir d’

une

variation de

seuil.

Faire varier

la

vitesse de moteur

continu moyenne

puissance

.

R éguler une température par déclenchement de thyristors ou de triacs

au

zéro secteur

.

C’est ce que

propose l

’article

de

G

.

Pogam

.

THOMSON-CSF

DIVISION SEMICONDUCTEURS

SESCOSEM INFORMATIONS 3

DISJONCTEUR A TRANSISTOR 100 A ^- 48 V

J

.

LE PONNER

DépartementOrientations Applications

la surtension de rétablissement. Il doitégalement supporter toutesles faussesmanœuvreset les réenclenchements sur court

-

circuit.

Le disjoncteur réaliséavec undes derniers nés de la génération des transistors de puissance SESCOSEM,l’ESM1000(I

c

^{= 150 A,}

VCEQ

⁼

100 V)illustre parfatiement les possibilitésdeces transistors.

Il est prévu pouruneintensitéde 100 A(corres

-

pondant à

Icsatl -

^etfonctionne avecunréseau continu de 48V

±

20%

.

Ildoit protéger :

•

^{en cas de court}

^-

^{circuit franc} de la charge

•

^{en casde r}

^é

enclenchementsurcourt

-

circuit

• ^en

^cas de surcharge en courant de faible amplitude et de longue durée

.

Les progrèsrécemmenteffectuésdans la tech

-

nologiedestransistorsde puissance,ont permis d^’enfairedevéritables interrupteursélectroni

-

quesadaptés àla plupart des fonctions de l’élec

-

trotechnique

.

beaucoup de laboratoires, on entend Dans

encoredire “ qu’ilest impossiblede protéger untransistorde puissancecar,en casde court

-

circuit,ilestdétruit bien avant lefusiblerapide quiest sensé le protéger L’expérience pra

-

tique des nouvelles méthodes de protection permetd’affirmer le contraire.

Le disjoncteur est, par définition, un organe soumis àdes contraintes sévères:en cas de défaut,ildoit couper rapidement et supporter

1

.

- Principe du disjoncteur

•

^l’actionà exercer surl’organe de commande

consécutive auxdéfauts.

Lafonction“ disjonction ’’sedécompose en deux stades fondamentaux:

•

^{la dé}tection des défauts

1.1

. -

Détectiondes défauts: Cette informationentraîne la coupureimmédiate

dudisjoncteur.

1.1.2.-Surchargesen courant de faible ampli- tude et faible vitesse de montée en di/ dt : Ce type de défaut n’est pas décelable par le transformateur d’intensité. Une surcharge se traduit par une “ désaturation ” du transistor dont la tension collecteur

-

émetteur augmente.

On surveille en permanence cette tension et, lorsqu’elle atteint 2 Volts, le signal de sortie entraîne la coupure immédiate du disjoncteur.

1.1.3.-Température de boîtier du transistor : Dèsqu’elleatteint 80^‘C,elledéséquilibre unpont dont l’undes brasestconstituéparunethermis

-

tancemontée surleradiateur dutransistor. Ce déséquilibre entraînela coupure du disjoncteur.

1.1.1.-Court-cicuit franc :

L’utilisationd’unshunt demesuredu courant est exclue, le courantélevé de100 Aentraînerait une dissipationde puissance inacceptable

.

Le transformateur d’intensité utilisé ne dissipe aucune puissance,il acependant l’inconvénient dene transmettreque les variations de courant di/ dt dans la mesure où il n’est pas saturé

.

Ilne transmetune information exploitable que dansles deuxcassuivants :

•

croissance du courantzérojusqu’au courant nominal àla mise enconduction du transistor

•

augmentation brusque decourant enrégime permanent de conduction.

1.2

. -

Actionconsécutive à un défaut:

température de boitier 1(inductance

du cablage⁾

détection désatu

-

ration réseau

- <

^{de détection}

commande protect de

de défaut

+

_base

O CF

détection court-circuit

48V

O

R

CHARGE L

FIGURE 1:schéma de principe du disjoncteur

GWIERS ^TECHNIQUES

4

•

le circuit de puissance: l^’interrupteur estun transistor ESM 1000 associé à un réseau de protection

•

les circuits de détection de dé fautsquiagis- sentsurla commande de base

•

la commande de basefournissantle courant basede saturation et la polarisation négative de baseà la commutation.

Letempsquis’écouleentre l’apparition du défaut etla coupure du disjoncteur doitêtre aussi réduit que possible, surtout en cas de court

-

circuit. Cette action doit se traduire par l’arrêt de la commandede base du transistor en luiassurant une polarisation négative transitoire de base optimale de façonà cequ’il commute dansles meilleuresconditions possiblesavecleminimum de contraintes.

Le disjoncteur est composé de trois parties

essentielles: La figure 1 donne le schéma deprincipe.

Il estconstituépar:

•

dont l’inductance L de 35 pH n’est pas n^{la charge : c’est une résistance de 0,45}égli

^ ² -

geable

•

_charge^unediode₍elle limite la^{de récupération}surtension a^enparallèlela coupure^avecla dueà l’inductance de la charge⁾

.

•

le transistorde puissance

• ^son

^réseaude protection(figure2).

Sans réseau de protection, la surtension à la coupure L di/ dt atteint environ 250 V. Cette surtensionestdueàl’inductance desconnexions qui nepeutêtre compensée parunediodede récupération. Le réseau de protection a un doublerôle (figure 3).

•

_fonction^retarder_est^{la remont}_assurée^ée_{par le}^{de la}condensateur^{tension : cette}C

•

^{limiter l’amplitude de} la surtension : cette fonctionest remplie par la diode de protectionD.

2

.

-Circuit de puissance

J - ^{T c j . t °}

Ç

FIGURE 2: réseaudeprotection du transistor . Ilest constituéd^'unréseauclassique résistance,diode, capa-

citéauquelona rajoutéunediodede protection pour écr éterla surtension à la coupure

Avec réseau de protection, la surtension est réduite à 90 V et l’énergie dissipée dans le transistor est négligeable.

• ^un

^{court-circuitàl'}enclenchement setradui

-

sant de la même façon mais à partir d^'une valeur initiale de courant nulle.

Trois types de défauts peuvent survenir :

•

^{une surcharge lente: le} courant augmente plus lentement jusqu^’à unevaleur limitéeou non

• ^un

^court

^-

circuit franc se traduisant par une croissance rapide du courant à partir d’une valeur initiale constante

3

. -

Détectiondesdéfauts

SESCOSEM INFORMATIONS ⁵

3.1

. -

Surcharge lente: Elle provoque soitunedésaturation du transis

-

tor, soit une augmentation excessive de sa températurede boîtier

.

information de +48 V

desaturation

3.1

.

1.

-

Désaturation:

Le schéma de principe est donné figure 4.

Dèsque la tension collecteur

-

émetteurdépasse 2V,l’information résultanteentraînela coupure du disjoncteur.

FIGURE4 schéma deprincipede détection de desa- turation dutransistorde puissance L^'interrupteurK est en réalité^, un transistor qui se satureavecun leger tempsde retard parrapporta lamiseen conduction du transistor de puissance,ceci afindepermettrele réarmement du dis/oncteur

3.1 .2.-_Limitation de température de boîtier : Danscertainscas,la puissancedissipéepar le transistor peuts’avérer excessive et provoquer une élévation de tempé^rature de boîtier inac

-

ceptable(exemple :transistor proche de la désa

-

turation

VQE

^{= 2} V et courant anormalement élevéde130A soitunepuissance dissipéede 260W,conduisantàune température supérieure àcelleadmissible).

+ thermistance montée surle radiateurdu transistor

Û

informationdela

températurede

boitier C’estpourquoiuneprotection thermique consti^- tuée par un pont à thermistance (figure 5) entraînela coupure du disjoncteur dèsque la température de boîtier du transistor dépasse 80^'C.

FIGURE 5 principede la protectionen température Au dessus de 80^‘C, la tension de déséquilibre VQ pro- voque la coupure du disjoncteur

La détectiondu défautsefait par l’intermédiaire d’un transformateur d’intensité⁽circuit magné

-

tique à entrefer pour limiter au maximum les

phénomènesde saturation dus aux fortscou

-

rants).

Le circuit dedétection estdonnéfigure6. 3.2

. -

^Court-circuit francetréarmement

surcourt-circuit :

FIGURE6 détectiondes court-circuits francs Le transformateur d^'intensitétransmet le front de montée du courant de 0 à 100 A à lamise enconduction dutransistor

Cetteinformation,correspondantàunphénomène nor- mal

.

^estéliminée par la diodeZener Z2 Sibien qu^’en cas de court-circuit,en régime permanent , apres satura- tion du tore il faudrait attendre que la variation de courant dé passe 100 A⁽soitun courant crêtede200 Aau total)avant que l^'information nepuisseêtreenregistrée La polarisation V(son amplitude etsonrégimetransi-

toire ) permetl^'obtentionimmédiate d^'une information de sortieVsdes que le courant dé passe 100 A avec un fortdi / dt et

.

donc de couper le dis/ oncteur .

+ ^{48 V}

i ⁾

Z2

t H

v _D

0

VJ T

V D

S i

O

GHERS TECHNIQUES

6

«

Elleassuredeux fonctions:

•

le maintien du transistorenconduction : pour faire passer100 A dans un transistorESM1000 dansde bonnesconditionsdesaturation,ilfaut lui fournir un courant base I_{B1 de 10} A. Un convertisseur auxiliaire fournitcecourantsous basse tension à partir de l’alimentation de puissance.

Une commande par transistor Darlington aurait

nécessitébeaucoupmoins de courant base,mais lachute de tension aux bornes d’un Darlington saturé (environ 2V)auraitentraîné des pertes importantes.

•

^{en casde défaut,}le courant base doit passer rapidement de la valeurIB^-_J⁼10A à la valeur IB 2^{= ~10}Apourassurerla coupure dans de bonnes conditions(voir figure 2 et figure 8 a). 4

.

^{-Commandedebase}

courantcollecteur A

100 A

défaut

'

^BI

+

^10A

courantde base

-

₁₀A

B2

FIGURE 7 courant collecteuretcourantbaseen cas de defaut .

Dèsquele defaut estdétecté

.

le courant basedoit êtreinversepour quele transistor commute dans les meilleures conditions

La quantité d^’électricité qui transite dans la charge entrele début ducourt

-

circuitetl’instant oulecourants’annule,estenviron 600

uC

(soit uneénergiede 30 mJ)

.

Elle est si faible qu’elle permetde court

-

circuiter la charge de 4,8kW paruntrès petitthyristorplastiqueBRY 55 sans qu’ilsoitdétérioré.

Un court

-

circuit franc sur une alimentation de puissancecapablede débiter100A,setraduit, la plupart du temps par desphénomènesphysi

-

ques notables :

•

^bruit

•

^dégagement dechaleur

•

^projectionde particules de métauxenfusion

•

connexions soudées...

Ce disjoncteur à transistor coupe trèsvite en 4usavant que le courant n’aitatteint une valeur dangereuse (figure8).Cetempsde coupureest environ 1000 foisplus court queceux des dis

-

joncteurs électromécaniques les plus perfor

-

mants.

En cas de court

-

circuit, le courant ne monte qu’à 150 A. La photo B figure 8, montre le courantcollecteur et la tensionémetteur

-

collec

-

teur du transistor

.

3 JUS après l’apparition du court

-

circuit^,le courant collecteur s’annule, le réseaudeprotectionlimite la tensioncollecteur à70 V.

5

. ^-

^Résultats

D’autre part,la faibletension collecteur

-

émet

-

teurde saturation du transistor permet d’obtenir un très bon rendement de 87,5 %, y compris les pertes du courant de commande de base

.

Ce disjoncteur a été étudié àpartir d’une ali

-

mentation disponibleau laboratoire.Enmodi

-

fiantquelquesvaleurs de composants,cemême disjoncteur peut fonctionner avec un réseau 72V (

±

20%). La limite detension estfixéepar latension

VQEQ

⁽sus)du transistor de puissance qui doit toujours être supé^rieure à la tension d^'alimentation.

SESCOSE INFORMATIONS ⁷

Laconclusionla plus importante quel’onpuisse tirer decesr

é

alisations estl’application deces techniquesde protectionauxconvertisseurs.

Le développement destransistorsdefortepuis

-

sance va permettre de réaliser beaucoup d’équipements(commande de moteur, conver

-

tisseursde puissance.

..

)avecdes transistors qui permettent d’obtenir des gains importants en poids, volume,rendement

.

La réalisation decesdisjoncteurs montre qu’il sera possible de protéger ces convertisseurs sansfusibleavecdes protectionsrapides,dans des conditions bien meilleures que celles obte

-

nues avecd’autres composants

.

Le transistor de puissance a, par rapport aux autres composants,unavantagefondamental: 6

. ^-

^Conclusion

•

^{il peut}

^ê

tre rebloqu

é à

^chaqueinstant deson fonctionnementen quelquesus,quelquesoit l’

é

tatde lacharge.

La réalisation de ce disjoncteur 48 V

-

^{100 A}

en montre une application concrète.D’autres disjoncteurs fonctionnant à des tensions plus

é

lev

é

es(300 V

-

6A)ont

é

t

é

réalisés auLabora^- toire d^'Applications avec des circuits de protec

-

tion plus simples.

oo

Refroidisseurs à ailettes

30 x50x15

Ci

^{+48 V} +^{48 V} Refroidisseur

150x120x120

«

T Cablage court

-

i

i T₁

R1 I I D₁₈

I

lc

^{= 100A}

+^{48 V}

bv

1

°

¹⁷

^{- -}

^R

Q 31

D2 C2 D20 ^oO CM

n4 <

=

F

U -

H ^{R 3 n 1 n2}

^{OT «} ^

³⁵

i ^ ^ESMflOOO

^{C 15 Z4 I}

°

^{3 R 4 n3 w IB= 10 A i}

-

^no

^P

^{21 i}

" ^CH *

n2

°

^{4 C6}

±

ⁿ¹

°

⁵ H ⁱ refroidisseur ^{R /}

à ailettes L 100 mm

H 27

-H -^{H h} n4 _I

RCC3 Tare détection

court

-

circuit Tl

D6 5

.

^{R 6}

R 7 MW Transfo D19 1

Hl —

©

^{c4 i :‘}

^°

¹⁶

T3

D₇

w

^-

MW ^I I

R Rw8 C

C5 9 GÉNÉRATEUR ⁱ H

COURANTBASE 10A I ^A

| P U I S S A N C E

* ^°

^{8 II.} R^GE DETECTION COURT

CIRCUIT DESATURATION

Réarmement _R

36 CollecteurTPU

^ ^cio 0

3

^T12B

^°

^{R37 R30 R33}

M

^o

- °

^{1 5 RArrêt20 i R25 ooo i}

P3 t6

ï

TQ

^THER.surrefroidisseur

R15 ^I TPU

R12: R_{16 I} C₁₃

R 23

R 18 R32

I m

R13 R Tl2 transformateur d^'impul

-

pulsion B 42 FT 31,5

24 Transformateur du généra-

teur de courantbqse FerriteCofelec REG 603 B42 30 x 26 x 8 3

é j |

^R38

j -

C¹¹

Z₁ Emetteur TPU

O

C7 D11 TI2 A

TI2 B 2primaires10spires D₁₂ Tl

,

₁

1:

L

R34 n 1 5^spires0 0,2mm

n216 spires 0 6,5mm n3 2spires de 2 fils 0 mm n4 4^spires0 0,65 mm

TI₂C TI2 D

C₈

±

2 secondaires 10spires

Z₃

D13Z₂ ^I

L 1

I R 29

R 22 P₁

O CM

Oh- C12

R14 R₂₇

I

SESCOSEM INFORMATIONS 9

NOMENCLATURE

Résistance 0,1 fi Résistance 82 fi Résistante 1 fi Résistance 33 fi Résistance 12 fi Résistance 12 fi Résistance 12 fi Résistance 220 fi Résistance 33 fi Résistance 56 fi Résistance

Résistance 10 fi Résistance 2,2 K fi Résistance 470 fi Résistance 1 K fi Résistance 2x330 fi R ésistance 470 fi Résistance

Résistance R 1

R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 R 9 R 10

2W R 20 Résistance 8,2 K fi Résistance 100 Résistance 470 Résistance Résistance 470 R ésistance Résistance 470 Résistance Résistance Résistance Résistance 330 Résistance 10 Résistance 10 Résistance 330 Résistance R ésistance Résistance 820 Résistance 220 Résistance 100

2W R 21 fi

5W R 22 fi

R 23 R 24 R 25 R 26 R 27 R 28 R 29 R 30 R 31 R 32 R 33 R 34 R 35 R 36 R 37 R 38

5W 1 Kfi

fi Kfi 1

fi

5W 5 fi

2W 1 Kfi

Kfi

1 1 Kfi

R 11 fi

R 12 R 13 R 14 R 15 R 16 R 17 R 18 R 19

fi Kfi fi

2W 1 Kfi

5Wen// _{1 Kfi}

fi 1 Kfi

1 Kfi ^fifi

1 Kfi 1 Kfi 1 Kfi P 1 Potentiomètre

Potentiomètre Potentiomètre P 2

P 3

C 9 C 10 C 11 C 12 C 13 C 14 C 1 Condensateur

Condensateur Condensateur Condensateur Condensateur Condensateur Condensateur Condensateur

100 /JF 63V 0,1 /JF 0,1 /JF

Condensateur Condensateur Condensateur Condensateur Condensateur Condensateur

0,47 /JF 0,1 /JF C 2

C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C 8

10 /JF

22 nF 0,47 /JF

1 /JF 2,2 /JF

3x10

lit

63Venparallèle

20 nF

470 /JF

0,1 /JF C 15 Condensateur 10 /JF

T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6

BU 109 en TO 126 BU109

BC 327 2N1711 2N1711 2N2905 Transistor Transistor Transistor Transistor Transistor Transistor

Thyristors BRY54 100 Thyristors BRY54 100 Thyristors BR Y 54 100 ThyristorsESM24850 R Thyristors BTW275 200 R TH 1

TH 2 TH 3 TH4 TH5 D 1 Diodes 1N4148

à

ESM255 50 ESM255 50 BYX 61 50 BYX61 50 D 14

D 15 D 16 D 17

D 18 D19 D 20

Diodes Diodes Diodes Diodes I Diodes

Diodes Diodes

ESM181 100 ESM255100

ESM181 100 D 21

Z 1 Diode Zener BZX55C

-

30V Diode Zener BZX55C

-

10V Diode Zener B Z X5 5C

-

1 0V

Diode Zener ESM233

-

56 V Diode Zener BZX55C

-

8,2V Z 2

Z 3

Z 4 Z 5

G 1 HIERS TECHNIQUES

10

UN NOUVEAU THYRISTOR PERMET

LA RÉ ALISATION D ^’ UN ONDULEUR A 40 kHz

Jean-Marie PETER Orientation^•ThomsonCSF divisionSESCOSEM Centred'AIX

-

EN

-

PROVENCE

Des progrès récents dans la technologie ont permis d’améliorerconsidérablementlespossi

-

bilités desthyristors rapides.

Ce document décrit un onduleur de 1,2 kW pourfourà induction fonctionnant à 40 kHz avec un seul thyristor,eninsistantsur les particula

-

rités descomposantssemiconducteurs.Onmon- treensuitel’extension àd’autresschémaspour desapplications différentes.

Depuislongtemps, oncherche à améliorer les thyristors rapides, c’est

-

à

-

dire à diminuer leur temps de désamorçage

tq

^{. Ceci permet, non}

seulement d’augmenter la fréquence de fonc

-

tionnement des équipements, mais encorede réduire le dimensionnement des auxiliaires (condensateur

-

thyristor d^’extinction

-

inductance) du circuit de commutationforcée.

Les possibilités des thyristors rapides étaient limitéesjusqu’en1975à:

• ^tq

^s 10 ps pour des tensions maximales d’environ 400 V

•

_d’environ

^tq

^{^ 20}_1.000^ps _V.^{pour des tensions maximales}

Pourqu’unthyristorrapidesoit utilisabledansde bonnes conditions,il est nécessaire de posséder entreautres caractéristiques :

Une très bonne tenue aux gradients de ten^- siondv/dt:

En effet,le réseaude protection quitransforme un échelon de tension en rampe consomme d’autant plus d’énergie que la pente de la rampe est plus faible

.

Il est donc intéressant

d’avoir des thyristors capables de supporterdes valeurs élevéesdu gradient dv/ dt pour réduire lespertes du réseau.

Defaiblespertesde commutationà l’amorçage : Certains thyristors sont inutilisables dans des onduleurs àfréquence élevée car ilsont tropde

pertespendantla duréede l’amorçage.

La possibilité de tenir des tensions assez élevées:

Pour réaliser un thyristorrapide,le constructeur faitun choix dans le compromis entrela tension etlarapidité:ilest possiblede faire unthyristor rapide 400 V, ou moins rapide à 800 V, un thyristor ultra

-

^rapidemaisnetenant que 200V n’offriraitenpratique,aucunintérêt

.

En effet, lorsque l’on fonctionne en moyenne puissance,oncherche souventà travaillerdirec

-

tementsur le secteur et latensionnormalisée pourcespuissancesest 220^/240 V en Europe. Ceciconduit à des tensions maximales de 400 à800 V.

LenouveauthyristorESM313a étéconçuen tenant compte de ces différents éléments

LethyristorESM313:

•

^{auntemps de désamorçage}garanti inf

é

rieur

à

5ps ;

•

tient des dv/dt de 1.000 V/ps ;

•

^{peut être réalis}é pour des tensions allant jusqu’à600V;

•

^{a des pertes de} commutation à l’amorçage restant aussi faibles que celles des meilleurs thyristors de modulateur radar réalisés jusqu’à présent.

Unprogrèsaussi important nesefait passans introduirequelquesmodifications. Laprincipale concerne la commande

.

Pendantle temps de désamorçage il est nécessaire de mettre une

légèrepolarisation négative

.

La puissancecor

-

respondante est très faible et cettetechniqueest bienconnueettrèsutiliséepourtouslescircuits à transistorsde puissance.

Par ailleursce thyristor ne tient pratiquement pas de tension inverse : à priori ceci peut paraîtreun inconvénient.Enfait,dansbeaucoup de montages utilisant la commutation forcée, le thyristor est monté en parallèle avec une dioderapide.Pendant lacommutationlatension aux bornesdu thyristor est de

-

1V.

Dans lecasdel’ESM313la valeur du temps de désamor çage de 5ps est garantieavec unediode enparallèle.

Onduleur sérieélémentaire Nous avonschoisi un circuit très simple à un thyristor pour montrer les possibilités du nou

-

veauthyristorESM313

.

Onaréalisé ainsi^,dansdes conditionsd’échauf

-

fementtoutàfaitnormales,unonduleuralimenté sous200 Vcontinu,dont la puissance de sortie estde 1,2kW à 40 kHz.

SESCOS INFORMATIONS _n

THYRISTOR ESM313100 Rà600 R Valeurslimitesabsoluesd’utilisation

Tensionmaximale d’utilisation à l^’étatbloqué

VDWM

¹⁰⁰

-

^{600 V}

Tensionde pointenonrépétitiveà l^’état bloqué

VDSM

²⁰⁰

^-

^{750 V}

Tensioninverse

VRWM

^{10V •}

Courantefficaceàl’état passant

•

^{eff 40 A}

Vitessecritique de croissance ducourant di/ dt 400 A/

us

Températuremaximalede jonction T(vj⁾ 125^°

Caractéristiques électriques

Tension à l^’état passant I= 70A

VT

^{2,05 V}

Vitessecritique de croissance de latension àl’état bloqué

VD

^=0,67

^VDWM

dv 1000V/

us

Tvj = 125^°

VG

^.=

^-

^{3V dt}

Courantde gâchetted’amorçage

'

^{GT 150mA}

Tempsde désamorçage

lT

^{= 40A di=-5 A/us}

VR

^=-1

^v

Tvj=125^° dt

dv

dt = 800V/

us VD

^{- 0,67}

VDWM VG

⁼

-

^3V

5

us

!q

Résistance thermique jonction boîtier R_th 0,9^°/W

FIGURE1

Principalescaractéristiques dunouveau thyristor ultra-

rapide

Leschéma de principe est représenté figure2.

LachargeestunerésistanceRadaptéeparun transformateur TR

.

Pour simplifier le raisonne-

mentnoussupposerons :

•

^{que l’inductance} de fuite et la résistance ohmiquedesenroulementsdeTR sontnégligea^- bles : la charge est doncéquivalenteà l’induc

-

tanceprimaire Lenparallèleavec R,résistance de chargeramenée auprimaire

.

•

^quel’inductance L1 est grandedevantL

.

Lorsqu’onamorcele thyristor(lecondensateur C estpréalablementchargé a une tension V2) l’ensemblethyristor diode est parcouru par un courant quiestlasomme:

•

^d’une composante alternative dont la durée estunepériode et d^'amplitude maximale:

courantcontinueàpasser dans l’inductance Let recharge le condensateur C

.

Le systèmeaune fréquence de répétition

.

L’énergie qui a été transféréedansla charge estdonnéepar :

1 2

ic

⁽

^V â

^~

V2

oest

la tension aux bornes du condensateur àla fin de la duréeT.

La systèmefonctionnea unefréquencede répé

-

tition f=

—

Principe

V

—

2 ⁾ W=

20

T

La valeur approchée de la tensiondans le casdufonctionnement àvidepeutêtrecalculée simplement,enpartantduprincipeque la valeur moyenne de la tensionaux bornesd’uneinduc

-

tanceenrégime périodiqueestnulle

.

“

j /

^"

^p

^{" etdepériodeT}

⁼

^=27T

^/

^~LC Pendant la duréeTla tensionauxbornes de L

est V

-

^j

^.

Pendant la duréeT

-

TlatensionauxbornesdeL est

Vi ^-

V2^.

V 2

•

^dunecomposante continueégaleau courant quicirculait dans l’inductance L1 avant l^’amor

-

çagedu thyristor(L1

>

^{L).Cettecomposante}est faible devant la préc

é

dente et nous la négli

-

gerons.

Lecourantdans le thyristor secoupeaprèsla première demi

-

alternance et son temps de dé

samor

çage doit être inférieur à la demi période(ïïi

/

LC⁾,pourqu’il retrouvesonpouvoir de blocage après la conduction de la diode.

Pendant la période de repos(durée T

-

T ), le

V

-

^jT

^-

^t

^- VT -

_V2^{) (}T

-

T)= 0 1

7

^V1

v

₂= 1 T

Cetteformule est importantepourledimension

-

nementduthyristor.Onpeutnoter quedansle casgénéral la tensionV2⁽qui

sera

utiliséepour dimensionner le thyristor) est supérieure àla tension d’alimentationV1

.

G 1 HIERS ^TECHNIQUES

12

Lapuissancemaximale théoriqueest:

Vli-

^.

^c

A

. -

^La grandeur de sortie est une suite de sinusoïdes plus ou moins amorties de durée approximative.

Principalescaractéristiques de l’onduleur

sérieélémentaire

PM

¹

(1

-

^

⁾²

C.

-

^{Lorsque l’onduleur fonctionne à vide l’en}

-

semblethyristor diode est traversé par uncou

-

rant important(correspondantà unepuissance réactive)

.

En charge le courant dans le thyristor varie trèspeu et le courantdansladiodediminue.

Les pertesserontdonc plus importantesàvide qu^'en charge.

D.

-

^Lethyristor doitêtrechoisi avec:

\q

< TTV

ÏC 21

T = 2ïï

VLC

répétée à une fréquence f 1 (avecTtoujours supérieur a 2ïï^-

/ LCT

. T

B

. -

^{Larésistanceramenée} R au primaire doit toujours être bien supérieure à une valeur critique:

R C

⁼₂1

vDWMf> ^v

²

diminuer les pertes par effetde peau) bobiné sur un mandrinde quartz de diamètre30mm.

Lavaleur de l’inductance a^videest de23juH.

La charge proprementditeestunetige d’acrier quiestintroduite dans letubede quartz.

L^’onduleurprototypeaétéréalisé pouralimenter un petit four a induction. Le schéma en est donnéfigure3.

La charge est constituée par un inducteurde 83 spires ⁽4 fils de 0.8 mm en parallèle pour Réalisation

SESCOS 13

L₁ 2 mH /

v ^ ^r

^\

+

¹⁵

390 u BC313A R₁ 33^« C 0.2

pF

+

_{ESM 313}

î

^{L R}2 600

470i l 10

‘

^{2 33}

^ ^Di

200 V _i»

0,22 ESM181

-

800

C1

“

^8nF

2 N1711

pF

4.7_a

Inducteur dufour L 23 pH T₁

:

BZX55

*

l

^6V2C

j

Jin

T,COFELEC B42E casse 19 6 7 25spires n2 25 spires 1

n₁

Figure 3

Onduleur 1 ,2 kW à 40 kHz pour four a induction.

La figure 4 représente lesoscillogrammes du fonctionnementàvide etencharge. Ils diffèrent desformesd’ondethéoriquesde la figure 1par lasuroscillationprovoquéepar le réseaudepro

-

tection contrele dv/ dt,et parla courbure des caractéristiquesducourantdans l’inductanceL1 (cettecourbure estdueàla variation del’induc

-

tanceen fonctiondu courant).

Cet onduleur alimenté sous 200 V permet de fourniralacharge unepuissancede1,2 kWà une fréquence de 40kHz

.

(La fréquence des arches de sinusoïde est en fait75kHz.Cette fréquence est intéressantepour l’applicationau chauffage.)

OIHIERS TECHNIQUES

14

C’est un élément fondamental. Pour que le thyristor ESM313 puisse être utilisé dans de bonnes conditions (

tq <

^{5jjsdv/ dt}

>

1.000 V/JJS) il faut une lég

è

re polarisation n

é

gative sur la gâchette⁽

-

3 V).

Pour assurerunfonctionnementfiable du circuit le g

é

nérateur d’impulsions doit assurer les fonctions suivantes :

A

. -

Amorcer avec unniveaudecourantbeau

-

coupplus important que lavaleur IGT(150mA) et ceci le plus vite possible pour réduire les pertesàl’amorçage.

Circuitdegâchette B.

-

^Appliqueraprèsl^’amorçageunepolarisation

négative et ceci même pendant les régimes transitoires (démarrage) ou à la première impulsionde départ.

Le circuit dont le schéma est donnéfigure 3aété étudiépourtenir cettedernièreexigence et pour avoir une margedesécurité(ettenircomptedes dispersionsdes thyristors) il donneunepolari

-

sation de

-

5 V.

Les formes d^’ondes correspondantes sont donnéesfigure5.

SESCOSEM INFORMATIONS 15

Protectioncontre les dv/dt Cette protection est assurée par le réseau R|

-

R 2^C

-

|

DI

^{( figure 3)}. Le thyristor ESM313 est garantià1.000V/jus.En pratiqueil est nécessaire de limiter le gradient de tension réappliqué à 700V/JJSenviron. La photo de la figure 7 montre le comportement de la tension réappliqué aux bornes duthyristor.

Les pertes de commutation au moment du blo

-

cage sont négligeables puisqu’à ce moment il n^’yapasdetensioninverseappliquée. Par contre, lespertesde commutationdansla diode sont trèsimportantes. Le prototypeaété réalisé avec une diode BYX62.600dontle temps

de recouvrement garanti est de 0,2us

.

L^’expe-

riencemontre qu’enremplaçantcette diode par une BYX 66.600 (trr = 0,5 us) les pertes de commutation sont telles que cette dernièrediode esttrèsrapidement détruite.

L^'utilisation de diodes de puissance trèsrapides (sérieBYX61

-

₆₅)permetd^’avoir pourunréseau donné ungradientdv/ dt minimal

.

Dans la pratique si la diode n’est pas assez rapideonaugmente considérablement le dv/dt.

Le calcul en est assez complexe (voir réfé

-

rence1).

Les pertes pendantl’amorçage jouent un rôle trèsimportant dans

r

échauffement du thyristor, etparailleurselles sont localiséesautourde la gâchettece qui favoriselaformationdepoints chauds préjudiciablesàlafiabilitédu composant.

La figure 6 montre que le thyristor ESM 313

Comportementà l’amorçage s’amorce très vite et que la quantitéd’énergie

perduependant l’amorçage est trèsfaible(infé

-

rieurea200juJ)

.

A40kHz ily correspondune puissancede 8W.

Larésistance R 2 du réseaude protection limite le courantinstantanéde décharge du condensa

-

teur C

-

|

.

Résultat Cet onduleur alimenté sous 200 V continus

fonctionneà40kHzet délivre unpuissance de 1,25kW àlacharge.

Le rendement du prototype réalisé aulaboratoire d’orientation de la SESCOSEM était de 85 %.

Une analyse détaillée de ce circuit montre qu’une réalisation différente permettrait de dépasser 88 %.

La puissance dissipéedans le thyristor est maxi

-

male à vide.Savaleur est acceptable (22W) ce qui permet de conserver une température de jonction raisonnable,conditionindispensable pour avoirunebonne fiabilité des composants.

Le réglage de la puissance de sortie se fait très simplement par l’intermédiaire de la fré

-

quence du générateurde commande.

L1

I I

¹²

HH

* ^CA

^{ESM 313}

^r I

220 V 50Hz

V2 500 V

0,4\iF

I T

500 W⁽moyens)à20 KHz L1

n ^I

^-L68u

^I

ESM 313

I

30 pH

*

6812

I

15nF

I CA

^{V2 480 V}

1

220 V 50 Hz

ESM313

A

^{0,15[i F}

V2 480 V

l

1400 W(moyens)a40 KHZ FIGURE8

Exemplesderéalisationsapartird^’un secteur 220 V.

L onduleur duhaut sortunepuissancemoyennede600W à20kHz,celui dubasutilise deuxthyristorsmontés en sérieetdélivre1,4kW( valeurmoyenne>^{a40 kHz}

16

tantepourtenir compte des variations du secteur. (Le thyristor est dimensionnépourfonctionner à 220 V

+

15 %).

•

La puissance de sortie n’est qu’une fraction (0,64)de lapuissance crête.

L’expérience (notamment celle du balayage ligne en télévision⁾ montre que pour des cir

-

cuitsdece genre, touteslessurtensionsbrèves sont amorties parl’ensembleC_/\

Li

^{et qu’il est}

possible defaire fonctionner cescircuitsavec unefaible marge entre la tension admissibleen régime permanent

Vp

^^

^{et latensioncrêteaux}

bornes des composants.

Améliorations La tension normalisée des réseaux industriels 220V 50Hz

±

15%conduit àdessourcesde tension redresséesde valeurcrête310Vet de valeur moyenne 200V.

La figure8donne des exemples de réalisation.

La capacité du condensateur C_/

^

^{reste faible,}

sonrôle est de rendre l’impédance de source négligeableàlafréquence de travail.

Parrapportaucircuitde la figure 3,onnotedeux différences:

•

^{Lesthyristors}fonctionnentnormalementavec unemarge de sécurité en tension plus impor

-

Utilisationavecunréseau alternatif220V:

Réseaude protection:

Ri M i

Ri

R 2 TI R 2

*

^I

1

T

FIGURE⁹

Comportement ducircuit de protection à la chargeeta la décharge

résistances R

-

jetR_{2 apr}èschaque amorçage.

•

^deconserver unevaleurfaiblepour R

-

|car il se produitdanscetterésistancedes pertes Joules pendant la charge du condensateur.

•

^de conserver une valeur élevéepour la ré

-

sistance R_{2 de faç}on à limiter l’amplitude du courantinitial de décharge du réseaudans le thyristor (ce qui limite les pertesàl’amorçage dans le thyristor).

Les pertes dans les réseaux de protectionres

-

tent importantes(80 W)devant celles des thy^- ristors⁽22 W). Avec des thyristors classiques tenant200V/us au lieude1.000 V/JJSles pertes auraientétécinq fois plusfortes

.

•

^{Nous pensons donc qu’}il est important de progresserdans la technique decesréseauxde protection, notamment en mettantau point un système permettant de récupérer l^’énergie stockée dans le condensateur. C’est un des objectifs du laboratoire d’ orientation de la SESCOSEM^.Un exemplesetrouvedécrit dans la référence 3 etd’autrescircuits sont enétude. Le but deceréseauestde maintenir la contrainte

endv/ dtàunniveau acceptable.

La figure 9 représente le comportement du ré^- seauàla charge(réapplicationde la tension)et à la décharge (amorçage du thyristor). On démontreque pendantla période de charge, la valeur moyenne du gradient de la tension réappliquéeest donnéepar leséléments de la figure 10,àconditionde considérerladiode D commeparfaite. La réalité est pluscomplexeet difficileà mettre en équation.Siladiode n’est pastrèsrapide,elleintervient, de parsoncourant derecouvrement et parla progressivitédeson reblocage. Lesélémentsde la figure 10 doivent êtreconsidérés commedes ordresde grandeur permettant de dégrossir le problème,mais le réseau doitêtre ajusté en fonction du type de diode.(Voir référence 1

.

⁾

•

forte charge^{Une diode}recouvrée^{troplente (})^caugmente l^’est

^-

^à

^-

^{dire ayant’}amplitude^une de lasuroscillationetles pertes decommutation.

•

^Une diode à recouvrement^{brutal(snap off)} augmente considérablement le gradient initial dv/ dt.

Le choix de cette diode est donc unélément important.

Le choix des autres diodes est dicté par les critèressuivants :

Pourle thyristor,ilest :

•

indispensablede limiter le dv/ dtà unevaleur raisonnable;

•

souhaitable de limiter l^’amplitude de la sur

-

oscillation car ceci oblige le constructeur a surdimensionnerle thyristor

.

Pour le rendement global, il estintéressant :

•

^de limiter la capacité du condensateur C

-

j. Eneffet, l’énergie

^

^C

^-

^|V

²²

^{estdissipéedans les}

//

2I I/l C|

FIGURE10

Valeur théorique du gradient dv /dt en fonction des élémentsducircuitdeprotection etde l^'inductance de chargeL On suppose la diode parfaite^.

17

L^’onduleursérieélémentaire a été étudiéparce qu’il s’agit d’uncircuitsurlequelilest possible d’analyser de façonsimple les prinpipaux phé

-

nomènesdecommutationetde protection

.

En fait, on utilise dans de nombreux montages industriels des montages à deux ou quatre thyristorsconnussous le nomd’onduleurssérie ouparallèle.L’analysedufonctionnement deces circuits sortdu cadredecetarticle (voir réfé

-

rencen^° 2).

La figure 11montre le schémad’un onduleur sérieà4thyristorsqui délivreunepuissance de 3kW à25kHz. Lecourantde sortie (figure 12) se rapproche beaucoup de la sinusoïde et permet d’utiliser ce type d’onduleur avec un meilleur rendement

sur

beacoup de charges accordées

.

Autresschémas:

21 îl^Bvx«31HHi⁾ ËSM^,il3

If

220 V 50 H/

I

FIGURE¹¹

Onduleursérieàquatrethyristors . Puissancede sortie 3 kWà25 kHz.

Thyristors ESM 313.Diode BYX 61.400

mentplusintéressantdefaire fonctionner cer

-

tains de ces générateurs en circuit oscillant qu’ensignauxcarrés.

D’autres applications comme les générateurs d’impulsions ou l’électroérosion pourraient se faire dans de meilleures conditions avec ces thyristors ultrarapides qui supportent des di^/dt élevés

.

L’ apparition deces thyristorsultrarapides,qui pourraient être caractériséspar unfacteur de mérite (du compromis tension

tq

^{) 2 à 3 fois}

meilleur que lesthyristors rapides classiques, ouvredesperspectives trèsintéressantesdans toutes les applications des onduleurs et des convertisseurs.

La premièrecatégorie d’application est celle des chargesaccordées: chauffage par induction

-

ultrason^-émetteursVLF,etc. On peut remarquer égalementquedansledomainedesgénérateurs à hautetension,les transformateurs ont de très fortesinductancesdefuiteet qu’ilestrelative

-

Conclusion

Enfin, utilisés comme des circuits classiques,

ces

thyristors permettent de réduire considéra

-

blement le volume et le poidsdes circuitsde commutationauxiliaires.

Bibliographie 1

. -

^B

^.

^MAURICE

Lesdiodesde redressement rapides.

Application des diodes rapides dans “ Les Transistorsde puissanceenrégimedecommu

-

tation

”

.SESCOSEM1975.pp 81

-

134.

2.

-

F

.

BRICHANT L^’Ondistor. Dunod.

3.

-

J

.

LEPONNER

Le chauffage par induction. Note interne SESCOSEM RT^319.

GHIERS TECHNIQUES

18

LES CIRCUITS DE COMMANDE DE MOTEUR BASSE ^TENSION A TRANSISTORS

K RISCHMUELLER

Par contre, dans le domaine des puissances moyennes(de 0,5 à10kW),lechoix est plus difficile etdescritèrestelsque prixde revient, volume et poids de l’équipement, rendement, régulation, fiabilité fonctionnelle doivent être sérieusement prisencompte

.

1

. ^-

Introduction Lors de laconceptiond’uncircuit variateur de vitesse pour moteur à courant continu basse tension, onpeut envisager d’utiliser :

• ^soit

^desthyristors,

•

soit des transistors

.

Pour des circuits detrès faible ou de très

forte

puissance,le choix estsimple :

•

^{lessystèmes àtrès forte}puissance (

hacheurs

pour locomotivepar exemple)utilisentdesthy

-

ristors;

•

_(magné

^pour

tophones, servomoteurs^{les petitsmoteursdemoins}

..

.), on^depr¹⁰⁰

é

fère^W utiliser des transistors.

Le but decettenoteestde montrer que, dans cette gamme de puissance,l'utilisationdetran- sistorsdecommutationmodernes,dans des cir

-

cuitsbienétudiés,permetd' obtenirdes résultats remarquables

.

circuits decommandede moteur pour engins de manutention alimentés sur batteries

.

2

. ^-

Comparaisonthyristor

-

transistor dans les circuits de commande de moteurbassetension

Nous allonspasser en revuelesavantages et lesinconvénientsde chaque dispositifdans les

•

^{pertes de} commutation plus élevées que cellesdes transistors modernes

•

^fr

^é

quence de fonctionnementlimitée

•

^{risquede “ ratéede}commutation^{’’ en casde} surcharge

•

sensibilité aux phénomènesparasites(amor

-

çage parasite, dv/ dt).

2.1

.

-Avantages et Inconvénients des thyristors et des transistors :

a)Avantagesdu thyristor:

• ^commande

^{parimpulsions}

• ^possibilit

^{és de} surcharges en courant de courte durée

•

isolement galvanique de la commande ^faci

-

lement réalisable.

b)Avantages dutransistor:

•

^{faiblechutede}tension à l’état passant (si la commande est bonne⁾

• ^absence

^{de circuit} de commutation forcée

•

^{faiblespertes de}commutation

•

^{temps de} réaction faible (protection court

-

circuitpossible

•

^fréquence de découpagepouvantêtreélevée (réduction de l’ondulation du courant dans le

moteur

⁾

.

d) Inconvénients du transistor:

•

^{très faibles possibilités de} surcharge en courant

•

commande continue de base

•

difficultés d^’isolement galvanique de la commandelorsquele rapportcycliquedoit varier entre0 et 100 %

.

Cet inventaire montre que, si l’on parvient à éliminer sesprincipaux inconvénients oucequi revient au mêmeàtournerles difficultésparun circuit adapté, le transistor de puissance se révèlelecomposant idéal pour les commandes de moteur. Dans la suite de cette note,nous allons montrer que c’est techniquement réali

-

sable

.

c)Inconvénientsdu thyristor :

•

^pertesde conduction supérieures àcelles du transistor

• ⁿ

^{écessitéd’uncircuitde}commutationforcée utilisant des élémentsde puissance