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Dispositif comportant des redresseurs semiconducteurs commandés, montés en série.
L'invention concerne un dispositif comportant des redres- seurs semiconducteurs commandés, montés en série.
On. utilise notamment des dispositifs de ce genre dans des redresseurs, des convertisseurs et des circuits de régulation pour tensions élevées, lorsque la tension de claquage directe et/ou la tension de blocage inverse d'un seul des redresseurs semiconducteurs commandés disponibles sont trop faibles' pour que. la tension continue ou alternative disponible puisse être supportée et/ou pour que la tension continue ou alternative requise puisse
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être engendrée.
Une application particulièrement importante de ces dispositüs est leur utilisation dans des installations de redressement de tensions élevées pour l'alimentation de tubes d'émission à grande puissance, par exemple ceux de l'étage de sortie d'un émetteur de radiodiffusion d'une puis- sance haue fréquence de 50 kilowatts ou plus, sous une tension continue de, par exemple, 11 kilovolts.
Dans une installation de ce genre, il est très impor- tant que les tubes d'émission coûteux soient protégés par un dispositif réagissant rapidement et correctement; cette protection est obtenue par interruption de la haute tension en.cas de perturbation dans l'étage final haute fréquence et/ou dans les tubes d'émission.
De préférence, cette interruption de la puissance en court-circuit de l'étage de sortie s'obtient sans l'aide d'interrupteurs mécaniques, du fait que ceux-ci sont relativement lents et que des interruptions de programme de l'émetteur doivent tester courtes, et des redresseurs semiconduc- teurs commandés offrent de nombreux et grands avantages par rapport à d'autres redresseurs commandés tels que des thyratrons ou des ignitrons ils sont beaucoup plus légers et plus compacts, leur durée de vie est de loin plus longue, leur fonctionnement est beaucoup moins tributaire de la température, ils ne doivent pas être préchauffés et ne provoquent pas de perturbations par allumages en retour @els que ceux qui peuvent se produire dans des thyratrons.
Ils présentent cependant un inconvénient : les redres- seurs semiconducteurs commandés, actuellement disponibles, ont une tension de blocage de pointe maximale d'environ 1000 volts, de sorte qu'il faut utiliser un grand nombre de redresseurs connectés en série. On rencontre alors une difficulté due au
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,fait que, dans un dispositif comportant des redresseurs commandes connectés en série, un amorçage intempestif de l'un des redres- seurs, par suite d'une répartition Irrégulière de tension entre les redresseurs, fut-elle momentanée, provoquée par exemple par une courte pointe de tension parasite, se produit d'autant plus aisément que le nombre de redresseurs commandés est plus élevé.
D'autre part, jusqu'à présent, on était forcé d'utiliser un nombre additionnel de redresseurs, en vue d'éviter qu'un amorçage intempestif de l'un des redresseurs provoque le déblocage de tout le dispositif.
L'invention obvie à cet inconvénient et fournit un dispositif du type spécifié ci-dessus, dans lequel des amorçages intempestifs par suite d'une pointe de tension trop élevée aux bornes de tout le dispositif et/ou une répartition irrégulière de la tension, sont évités.
Le dispositif conforme à l'invention est principalement caractérisé en ce que le trajet principal de chaque groupe de deux ou d'un nombre plus élevé des redressers commandés précités est shunté par une diode connectée dans le 'sens inverse, diode présentant une tension contrôlée de claquage par avalanche infé- rieure à la tension de claquage directe, anode-cathode, minimale d'un seul des redresseurs commandés, multipliée par le nombre de redresseurs commandés du même groupe et supérieure à la tension de claquage directe, anode-cathode, maximale d'un seul de ces redresseurs commandés, de sorte que l'on évite l'amorçage intem- pestif des redresseurs commandés du groupe, provoqué, par une .pointe de tension, tandis que lors de l'amorçage commandé des redresseurs commandés,
en cas de refus d'amorçage de l'un des re- dresseurs commandés d'un groupe, ce.redresseur est amorcé par claquage sous l'effet de la tension apparaissant entre son
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anode et sa cathode, et en ce qu'un redresseur à tension de claquage inverse au moins égale à celle de la combinaison en série de tous les redresseurs commandés est connecté en série avec cette combinaison et avec le même sens passant, de sorte que le dispositif présente la tension inverse de blocage. requise, malgré le montage en parallèle d'une diode conductrice dans le sens de blocage du dispositf avec au moins un groupe de. redresseurs commandés appartenant à ce dernier.
Les redresseurs commandés sont répartis de préférence en groupes de deux redresseurs commandés, et lorsque le nombre de redresseurs commandés est impair, l'un des redresseurs peut appartenir à deux groupes successifs,
La description de la figure unique du dessin, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
Cette figure est le schéma d'une forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention.
L'exemple de réalisation envisagé constitue une branche redresseuse U d'une installation d'alimentation en haute tension comportant un redresseur triphasé à deux alternances dont les trois branches U, V et W sont commandées entre un pôle à tension continue et les phases. Deux branches commandées V et W sont représentées schématiquement, alors que les branches non command48a X, Y et Z sont constituées par des combinaisons en série de diodes (D) semiconductrices redresseuses de tensions élevées.
L'installation est alimentée par les enroulements secondaires R,
S et ! d'un transformateur triphasé. Elle comporte d'autre part une bobine d'inductance d'uniformisation L1' un condensateur d'uniformisation C1 et un redresseur de récupération constitué par la combinaison en série de diodes (N) semiconductrices redresseuses.
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Le dispositif U comporte trois redresseurs semiconduc- teurs commandés Th connectes en série, du type à claquage par avalanche contrôlée dans le sens direct.
Chacun de ces redresseurs commandés Th peut être rendu périodiquement conducteur par une impulsion de tension positive appliquée entre son électrode de commande et sa cathode, pendant le temps durant lequel son anode est positive par rapport à sa cathode. Les impulsions sont simultanément appliquées à tous les redresseurs commandés du dispositif par l'intermédiaire d'un transformateur de commande T comportant un enroulement primaire Ni et des enroulements secondaires N2 dont le nombre est égal au nombre de redresseurs commandés.
Dans un. dispositif comportant plus de 5 ou 6 redresseurs commandés, connectés en série, ceux-ci sont répartis en groupes 'de commande de, par exemple, 3 ou 4 redresseurs et commandés chacun par l'intermédiaire de deux transformateurs connectés en cascades un transformateur de commande principal comportant un enroulement primaire et des enroulements secondaires dont le nombre est égal au nombre de groupes de commande et, pour chaque groupe de commande un second transforma.
teur comportant un enroulement primaire branché sur un enroulement secondaire correspondant du transformateur de commande principal et des enroulements secondaires dont le nombre est égal au .nombre de redresseurs commandés du groupe de commande correspondant, De cette façon, le câblage de chaque circuit de commande est aussi court que possible, ce qui réduit fortement le risque d'allumage d'un redresseur commande sous l'effet d'une impulsion parasite et facilite la solution du problème d'isolation.
Le circuit de commande de chaque redresseur commandé Th est shunté par une première résistance r1 qui rend le redres- seur insensible aux tensions perturbatrices à fréquence élevée
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et par une diode 4 qui limite les tensions négatives appliquées ,
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entre l'électrode de commande et la cathode, à une valeur baars Chaque circuit de commande est connecté à un enroulement serndaire
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correspondant 12 par l'intermédiaire d'une deuxième rési'cs ruz qui limite la puissance fournie à ce circuit de commandeet la
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dissipation d'énergie dans ce circuit et'dans 1ller,;=ode de commande du redresseur.
Une répartition régulière de la tension continue entre les redresseurs commandés à l'état bloqué dans @ sens direct
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est obtenue à l'aide d'un diviseur de tension ,nmique constitué par la combinaison en série de résistaucas T,-, shuntant chacune le trajet principal de l'un des redresseur commande Th et dont la valeur est environ cinq fois plus petite que elle de la
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résistance de blocage direct minimale d.' rf!iesseur commandé.
Cette répartition statique de la tendon est améliorée dynamique-
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ment par un filtre 02 R2# Dl corme*t4 en parallèle avec le trajet principal de chaque redressez !Jo11JD1.rù1dé. En cas de courants de court-circuit intenses, par dxemple supérieurs ou égaux à
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dix fois le courant omi1'1 max1mal, à flancs abrupts, il se produit dans des circuits hat tension dans lequels se trouvent des selfinduotions de dispersion et d'autres impédances, de forts sauts de tension.
Ces tensions à haute fréquence sont maintenues
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dans des limites adm18s. :;,J,es aux bornes de chaque redresseur com- mandé, par le condeecititeur correspondant C., qui limite des variations de tonsion abruptes dv/dt aux bornes du redresseur à une valeur admissible, La résistance série R2 est indispensable pour que lors de la décharge du condensateur C2' par exemple lorsque le redresseur commande Th est amorcé, la pente dl/dt de l'augmentation du courant à travers le redresseur commandé, en combinaison avec la vitesse d'augmentation dI/dt du courant à
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travers le dispositif lorsque celui-ci devient conducteur, soit limitée à une valeur admissible pour le redresseur commandé, D'autre part, le condensateur C2 doit pouvoir être rapidement chargé,
lorsque le redresseur commandé est à l'état bloqué dans le sens direct, ce qui se fait par l'intermédiaire de la diode D1' qui court-circutie la résistance R2 dans le sens direct.
Une bobine d'inductance série L2 limite la vitesse d'augmentation dI/dt du courant à travers le dispositif, lorsque celui-ci est rendu conducteur, à une valeur admissible pour chaque redresseur Th. Une trop grande vitesse d'augmentation du courant est l'un des principaux facteurs qui peuvent provoquer la détérioration de redresseurs commandés. Lors du réglage de la tension dans le sens croissant, le courant augmente en fonction ' .d'une fréquence principalement déterminée par les impédances parasites présentes dans le circuit.
La bobine d'inductance L2 réduit cette fréquence et amortit le phénomène d'oscillation transitoire à une valeur telle que la grandeur de dI/it à l'ins- tant de la mise en circuit, en combinaison avec le dI/dt du circuit R2C2' se situe au-dessous de la valeur maximale admissible pour les redresseurs commandés. Si la valeur de L2 est suffisam- ment élevée, il suffit d'une bobine d'inductance par dispositif ou par branche commandée de l'installation redresseuse, bien que les phénomènes de aise en circuit ne soient pas identiques pour tous les redresseurs commandés. La bobine d'inductance peut être saturée après que le courant ait atteint environ 30% de sa valeur finale.
Malgré l'utilisation décrite de diviseurs de tension statiques et dynamiques (d'une part R1 et d'autre part C2R2D1) et des mesures prises dans les circuits de commande, il arrive
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encore, surtout dans des dispositifs comportant'un grand nombre de redresseurs commandés connectés en série, que l'un des redresseurs commandés devienne intempestivement conducteur par claquage direct, par suite d'une brève répartition irrégu- libre de la tension entre les redresseurs commandés, par exemple dans le cas où il se produit un court-circuit dans le circuit de charge, juste au moment où le dispositif devrait couper le courant de court-circuit.
Cette possibilité de pertur- bation supprime l'un des avantages les plus importants qu'offre l'utilisation de redresseurs commandés (protection rapide et correcte du circuit alimenté, contre les courts-circuits) et peut être éliminée par l'utilisation d'un nombre additionnel de redresseurs commandés dans la combinaison en série.
Pour éliminer le risque que tout le dispositif devienne conducteur par suite d'une pointe de tension à ses bornes, faisant que tous les redresseurs commandés deviennent conducteurs par claquage par avalanche, le trajet principal de chaque groupe de deux ou d'un nombre supérieur de redresseurs commandés Th du dispositif est shunté, conformément à l'invention, par une diode D 2 connectée dans le sens inverse,.diode présentant une tension contr8lée de claquage par avalanche et une tension de claquage inverse Vpiv inférieure à la tension de claquage directe, anode-cathode, VFBO d'un seul des redresseurs commandés . multipliée par le nombre Il de redresseurs commandés du même groupe et supérieure à la tension de claquage directe, anode-cathode, maximale VFBO d'un seul de ces redresseurs commandés Th.
Il est évident que cette relation n.VFBP min.
Vpvi> VFBO max doit être vérifiée pour tout le domaine de température de la jonction et pour le courant inverse Irev. des diodes D, par exemple pour 3 mA, à 25 C. De ce fait, la tension
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aux bornée du groupe de redresseurs commandés, également en ce qui concerne de brèves pointée provenant de phénomènes de mise i en circuit ou de court-circuitage est limitée à la valeur Vpiv' de sorte qu'aucun des redresseurs commandés du groupe ne peut être amorcé par claquage par avalanche sous l'effet de cette tension.
Si lors de l'amorçage commande,un des redresseurs d@@@ ' groupe refuse de. s'amorcer et ne devient pas conducteur, un@ tension est appliquée à ce redresseur commandé, par l'intemédiaire de l'autre ou des autres redresseurs commandés du groupe tension qui croît avec une vitesse déterminée dV/dt vers la va@ur Vpiv' le redresseur commandé étant rendu conducteur par 018,,,,,,age par. avalanche, lorsque la tension dépasse la tension de @aquage
VFBO qui est inférieure à Vpiv.'
On obtient naturellement la plus grande @curité pour n = 2, c'est-à-dire lorsque les redresseurf commandés du dispositif sont répartis en groupes de deux raresseurs commandés..
Par suite de la présence des diodes L2' la tension inverse aux bornes de la .combinaison en série de@redresseurs commandés est négligeable lorsqu'on applique unir tension de sens inverse aux bornes des redresseurs commandes Th du dispositif.
En vue d'obtenir malgré tout un effet redresser, on connecte conformément à l'invention, un redresseur à tansion de claquage inverse au moins égale à celle de la combina ..on en série de tous les redresseurs commandes, en série ave ceux-ci et dans le même sens passant.
Comme on l'a représenté sur la figure, ce redresseur est constitué par la combinaison en série de diodes semiconductrices redresseuses D, de sorte @ue le dispositif pré- sente la tension de blocage inverse requise, malgré le montage en parallèle de diodes D2 avec au moins un groupe de redresseurs
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commandés Th appartenant à ce dernier, et offre également la possibilité d'un redressement sans régulation lovs de perturbation dans le dispositif de commande ou dans les circuits de commande,
En parallèle avec le trajet principal de chacun des redresseurs commandés Th est connectée la combinaison en série d'un tube luminescent de signalisation C et d'une résistance R3' Le tube luminescent 0 a une tension d'amorçage inférieure% la tension de claquage par avalanche directe VFBO du redresseur commandé Th et la résistance limite le courant maximal traversant le tube C à une valeur admissible pour ce tube.
On peut ainsi contr8ler de façon simple si le dispositif fonctionne correctement, Lorsque les redresseurs commandés ne deviennent pas conducteurs du fait qu'ils ne reçoivent pas d'impulsions de commande . d'amorçage pendant une partie notable des alternances positives de la tension d'alimentation agissant à leurs anodes respectives,, c'est-à-dire lorsque la tension de sortie de l'installation est nulle ou pour une tension continue de sertie relativement petite, tous les tubes luminescents G doivent être allumés par suite de ; la tension directe appliquée aux bornes des redresseurs commandés respectifs correspondants.
D'autre part, lorsque la tension continue de sortir de l'installation est réglée dans le sens croissant du fait que les redresseurs commandés Th deviennent périodiquement conducteurs, aucun des tubes luminescents G ne doit être allumé, your autant que la tension d'amorçage de ces tubes soit supérieure à la tension directe se présentant déjà à l'instant de l'amorçage périodique des redresseurs commandés Th, entre l'anode et la cathode de ces redresseurs.
Dans une forme de réalisation pratique de l'installation envisagée, on a utilisé, pour une tension continue de sortie nomi. nale de 11 kilovolts et un courant de sortie maximal de 38 ampères,
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.les éléments suivante .
Redresseurs commandés Th: 22 par branche commandée, répartis en 3 groupes de commande de 4 + 2 groupes de commande de 5; Philips type BTX - 800 R Redresseurs série D ainsi que les branches X, Y et Z de l'installa- tion; 15 par branche, Philips, type BYX 23 1000 Diodes d 17 par branche commandée; Philips type OA 202.
Diodes D1 17 par branche commandée; Philips type BYX 10.
Diodes D2 9 par branche commandée: Philips type BYX 25-1000. avec VFBO sélectionnée entre 1400 et 1600 volts; Résistances r1= 10 ohms
Résistances r2 = 5 ohms
Résistances R1 = 54 k ohms
Résistances R2 = 1 k ohm
Résistances R3 = 0,6 M ohm
Condensateurs C2 = 18000 pF
Tubes luminescents : Philips type GL 14 D
Bobine d'inductance L2 ¯2,0 mH avec Q >5 pour 40 kHz et avec une capacité parasite inférieure à 10 pF.
Tension alternative -efficace entre deux points de connexion arbitraires du transformateur T: 8750 volts nominal
Bobine d'inductance d'uniformisation In : 0,6 H - 30 ampères
Condensateur d'uniformisation C2: 100 F - 15 kV
Redresseurs de récupération NN : 15 en série, philips type
BYX 23 - 1000.