FR2581239A1

FR2581239A1 - Circuit d'interruption a semiconducteur

Info

Publication number: FR2581239A1
Application number: FR8605579A
Authority: FR
Inventors: Thomas Edwin Anderson; Edward Keith Howell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-04-24
Filing date: 1986-04-18
Publication date: 1986-10-31
Also published as: DE3612591A1; US4636906A; JPS61281420A; IT1190333B; IT8620222A0; IT8620222A1; CA1253245A

Abstract

INTERRUPTEUR DE CIRCUIT POUR ELIMINER L'AMORCAGE D'ARC. IL COMPREND : UN TRANSISTOR DE PUISSANCE Q BRANCHE AUX BORNES D'UNE PAIRE DE CONTACT SEPARABLES 12, 13 POUR TRANSFERER LE COURANT DE CIRCUIT HORS DES CONTACTS LORSQUE LES CONTACTS VONT SE SEPARER, ET UNE SOURCE ELECTRIQUE 18 POUR FOURNIR UNE CHARGE EMMAGASINEE A LA JONCTION BASE-COLLECTEUR DU TRANSISTOR DE PUISSANCE LORSQUE LES CONTACTS SEPARABLES SONT FERMES. APPLICATION AUX CIRCUITS.

Description

L'utilisation d'un élément semiconducteur aux bor-

nes d'une paire de contacts se séparant dans un circuit électrique pour éliminer l'amorçage d'arc et empêcher que

les contacts s'abîment est bien connue de la technique. Dif-

férents circuits ont été proposés pour fermer le semiconduc- teur avant la séparation des contacts pour permettre aux semiconducteurs de transférer le courant du circuit hors des

contacts pendant un temps suffisant pour permettre à la sé-

paration des contacts d'augmenter et à la température de ces derniers'de diminuer jusqu'au point o l'amorçage d'arc est

éliminé. On a proposé d'autres circuits pour ouvrir le semi-

conducteur une fois que les contacts ont été séparés pour empêcher que l'élément semiconducteur ne surchauffe et ne

soit endommagé par un courant de circuit en excès.

On connaît l'utilisation d un élément dépendant de la tension placé en parallèle avec un élement semiconducteur

pour transférer le courant du circuit hors du semiconduc-

teur. On connaît aussi l'agencement d'un condensateur lans le circuit base-collecteur du semiconducteur pour fermer le

semiconducteur et un transformateur de courant à noyau satu-

rable dans le circuit base-émetteur pour ouvrir le semicon-

ducteur et transférer le courant de circuit vers un élément

dépendant de la tension.

L'utilisation d'un condensateur dans le circuit base-collecteur d'un transistor bipolaire placé aux bornes Z-- d'une paire de contact pour fermer le transistor lorsque les

contacts sont ouverts est décrite dans le brevet des Etats-

Unis n 4 438 472 au nom de George K. Woodworth Une diode est placée dans le circuit base-émetteur du transistor et décharge le condensateur lorsque les contacts sont fermés. On pense que l'utilisation d'un tel agencement de circuit dans les circuits de puissance industriels et résidentiels nécessiterait un condensateur et une diode trop importants

pour rendre un tel agencement commercialement réalisable.

Le brevet des Etats-Unis n 3 601 622 au nom de

Sigurd G. Waaben décrit l'utilisation d'une diode d'accumu-

lation de charge aux bornes d'une paire de contacts pour empêcher l'amorçage d'arc de contact. Lorsque les contacts

sont ouverts la diode court-circuite les contacts pour empê-

cher l'amorçage d'arc jusqu'à ce que la charge accumulée dans la diode soit épuisée. Cette invention est décrite pour une utilisation dans des circuits de faible puissance tels

que les systèmes d'allumage d'automobile.

Un but de la présente invention est de réaliser un moyen peu coûteux et pratique pour emmagasiner une charge

dans un transitor de puissance branché aux bornes d'une pai-

re de contacts séparables de sorte que le transistor se fer-

me lorsque les contacts sont séparés pour transférer le cou-

rant hors des contacts pour éliminer l'amorçage d'arc. Un but supplémentaire de l'invention est d'ouvrir le transistor

une fois que les contacts sont séparés de manière à transfé-

rer le courant vers un élément dépendant de la tension grâce

à quoi on interrompt le courant sans dommages pour le tran-

sistor. Un transistor de puissance et un transistor de commande sont disposés dans un circuit avec une paire de contacts séparables à l'intérieur d'un système de puissance protégé. Le transistor de puissance est disposé aux bornes

des contacts pour éliminer l'amorçage d'arc après interrup-

tion du circuit et le transistor de commande relie une ali-

3 - mentation de courant séparée au transistor de puissance pour fournir une charge emmagasinée. Après que les contact se sont séparés d'une distance suffisante, l'alimentation de

courant est fermée.

La description qui va suivre se réfère aux figures

annexées qui représentent respectivement:

figure 1, une représentation schématique d'un cir-

cuit de charge emmagasinée utilisé dans l'interrupteur de

circuit selon la présente invention dans un circuit à cou-

rant continu;

figure 2, une représentation schématique de l'in-

terrupteur de circuit de l'invention utilisé avec un circuit à courant alternatif; et figure 3, une vue schématique d'un autre circuit de charge emmagasinée utilisé avec l'interrupteur de circuit

dans un circuit à courant continu.

Des moyens sont nécessaires pour fermer le tran-

sistor de puissance en parallèle aussitôt que des contacts

se séparent, maintenir la conduction pendant un temps prédé-

terminé suffisant pour permettre la séparation des contacts

et pour ouvrir et maintenir le transistor de puissance ou-

vert, grâce à quoi l'élément dépendant de la tension devient conducteur de manière à transférer le courant du circuit

hors du transistor vers l'élément dépendant de la tension.

Ceci permet non seulement que l'énergie du circuit soit dis-

sipée dans et interrompue par l'élément dépendant de la ten-

sion, mais protége aussi le transistor de puissance contre tous dégâts provenant d'une tension transitoire lorsque des courants de défauts importants sont commutés à l'intérieur

des systèmes de puissance industriels et résidentiels.

L'utilisation d'une alimentation en courant commutée séparé-

ment et d'un transistor de commande pour fournir la charge emmagasinée au transistor de puissance permet au transistor

de puissance d'être fermé pendant seulement la durée du ba-

layage de la charge emmagasinée par le courant de collecteur - 4 -

dans le transistor de puissance. A l'instant o le transis-

tor de puissance devient conducteur, l'alimentation en cou-

rant et le transistor de commande sont ouverts. Les caracté-

ristiques d'emmagasinage de charge du transistor de puissan-

ce sont choisies pour ouvrir le transistor de puissance pen- dant une période de temps prédéterminée après quoi l'élément

commandé en tension devient conducteur.

Figure 1 on a représenté en 10 un circuit d'ali-

mentation de charge emmagasinée approprié relié à un bus de puissance 14 qui comporte un interrupteur commandé 11 pour connecter et interrompre le courant dans les contacts 12, 13. Un transistor de puissance Q2 est situé aux bornes des contacts pour transférer le courant hors des contacts et

pour permettre aux contacts de se refroidir jusqu'à des tem-

pératures inférieures à la température d'émission thermo-

ionique et pour les séparer d'une distance suffisante pour empêcher un amorçage d'arc. Lorsqu'on dépasse la tension de

blocage du varistor à oxyde métallique ou carbure de sili-

cium 42, commandé en tension et relié en parallèle, le va-

ristor devient conducteur jusqu'à ce que l'énergie emmagasi-

née par le système soit dissipée et que la tension du systè-

me tombe en-dessous de la tension de blocage, moment à la-

quelle le courant dans le varistor chute rapidement vers

zéro. Pour être sûr que le transistor de puissance se fer-

mera à l'instant o les contacts vont se séparer, un tran-

sistor de commande Q1 est placé à l'intérieur du circuit base-collecteur de Q2. Le collecteur de Q1 est relié au collecteur de Q2 et au bus de puissance 14 sur l'un des côtés de l'interrupteur 11 par le conducteur 15. La base de Q1 est reliée à la base de Q2 par les résistances de limitation de courant R1, R2. L'émetteur de Q2 est

relié à l'autre côté de l'interrupteur 11 au moyen du con-

ducteur 16. Pour fournir le courant de fonctionnement à la fois à Q1 et Q2 on relie une alimentation en courant continu 18 avec l'émetteur de Q1 par le conducteur 23 à -5-

R1 et R2 par l'interrupteur 20 et le conducteur 19. Com-

me l'interrupteur 20 transporte seulement le courant de com-

mande de base pour les transistors, les contacts 21 et 22 peuvent être relativement petits par rapport aux contacts 12, 13 du bus de puissance. Q1 peut être aussi notablement plus petit que Q2 puisqu'aucun courant n'est interrompu

dans Q1.

Avant l'ouverture de l'interrupteur 11, et avec

l'interrupteur 20 fermé, on établit un premier trajet à par-

tir de l'alimentation de courant 18 dans l'interrupteur 20 et la résistance R1 via l'émetteur de Q1 et retour à l'alimentation. Le courant base-émetteur dans Q1 sature

effectivement Q1 en permettant à un deuxième trajet con-

ducteur de s'établir à partir de l'alimentation de puissance

18 via le commutateur 20, la résistance Rz vers la jonc-

tion base-collecteur de Q2, le conducteur 15 et la jonc-

tion émetteur-collecteur de Q1 et retour à l'alimentation en puissance 18, emmagasinant une charge dans les jonctions base-collecteur de Q1 et Q2. La circulation de courant dans la base et le collecteur de Q1 et Q2 fournit une charge emmagasinée suffisante pour maintenir la conduction dans Q1 et Q2 pendant un temps prédéterminé lorsque l'interrupteur 11 est ouvert pour interrompre le courant du circuit. L'interrupteur 20 est de préférence disposé pour s'ouvrir simultanément avec l'interrupteur 11 pour permettre à la charge restante dans Q1 et Q2 d'être balayée par le courant de collecteur de l'autre côté de l'interrupteur 11

via le conducteur 16. Lorsqu'on souhaite restaurer le cou-

rant dans le bus 14, on ferme à nouveau les interrupteurs 11

et 20 pour fournir une charge emmagasinée à Q1 et Q2.

On a représenté figure 2 un interrupteur de cir-

cuit complet 24 pour un circuit à courant alternatif dans lequel un interrupteur 25 commande la conduction entre les

contacts 26 et 27 par un bus de puissance 28. Un pont re-

dresseur constitué par les diodes D1 - D4 envoie du cou-

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-6- rant continu dans les conducteurs 31 et 32. La commande de base du transistor de commande Q3 est réalisée à partir de

la source de courant 38 par le conducteur 37 dans l'inter-

rupteur 39 et la résistance R3 vers l'émetteur-base de Q3. De la même manière que décrit précédemment en liaison

avec la figure 1, les contacts 40, 41 à l'intérieur de l'in-

terrupteur 39 sont beaucoup plus petits que les contacts 26, 27 dans l'interrupteur 25 et le transistor de commande Q3 a des valeurs nominales notablement inférieures à celles du transistor de puissance Q4. La charge emmagasinée par Q4

est obtenue par la circulation de courant à partir de l'ali-

mentation en courant 38 dans le commutateur 39, la résistan-

ce R4 le système base-collecteur de Q4, à nouveau le long du conducteur 33 dans le collecteur-émetteur de Q3 vers l'alimentation en courant 38 par le conducteur 36. En

choisissant de manière appropriée R3, R4 et les caracté-

ristiques d'emmagasinage de charge de Q3 et Q4, la cir-

culation de courant dans Q4, lorsque les interrupteurs 25, 39 sont ouverts, peut être réglée pour ouvrir Q4 lorsque l'interrupteur 25 peut supporter sans danger la tension aux

bornes du varistor de verrouillage en tension 42. L'ouvertu-

re de transistor de puissance oblige la tension aux bornes du varistor à atteindre sa valeur de blocage pour transférer immédiatement le courant via le conducteur 29 et le varistor 42 au bus 28 par les conducteurs 43 et 30. Le courant dans

le varistor diminuera alors rapidement vers zéro pour inter-

rompre le circuit.

On a représenté figure 3 en 44 un deuxième agence-

ment de circuit pour fournir une charge emmagasinée pour des applications à courant continu. L'interrupteur 46 commande fonctionnellement la conduction dans un bus de puissance à

courant continu 45 au moyen d'une paire de contacts 47, 48.

Un transistor de puissance Q5 est branché aux bornes des

contacts pour évacuer le courant des circuits hors des con-

tacts se séparant de la même manière que décrit ci-dessus en 7- liaison avec les figures 1 et 2. A l'inverse des modes de réalisation précédents, il n'est pas nécessaire d'avoir un transistor de commande pour faire circuler le courant dans la base-collecteur du transistor de puissance Q5 pour fournir la charge emmagasinée nécessaire lorsque les inter- rupteurs 46 et 54 sont fermés. Une alimentation en puissance séparée 52 fournit le courant par la résistance R5, les contacts 55, 56, à la base de Q5 par le conducteur 51 et

par la base-collecteur de -Q5, le conducteur 49, les con-

tacts 47, 48 et les conducteurs 50, 53 à nouveau vers l'ali-

mentation en courant 52. La diode D5 empêche le courant de

circuler dans la base-émetteur de Q5 lorsque l'interrup-

teur 46 est fermé. L'interrupteur 54 est de préférence ou-

vert simultanément par l'ouverture de l'interrupteur 46 grâ-

ce à quoi la charge emmagasinée dans Q5 permet au courant

de circuler de l'interrupteur 46 dans le conducteur 50 jus-

qu'à ce que la charge emmagasinée soit épuisée, sur quoi Q5 s'ouvre et le courant circule vers l'élément dépendant de la tension 42 à une tension notablement plus élevée que la tension de l'alimentation en puissance, obligeant par là

le courant à chuter rapidement vers zéro.

On peut remarquer alors que la charge emmagasinée peut être appliquée à la jonction base-collecteur d'un

transistor bipolaire branché aux bornes de contacts sépara-

bles dans un circuit de bus de puissance pour permettre au transistor d'être fermé immédiatement après l'ouverture des contacts pour interrompre le courant du circuit. Le courant à travers le transistor de puissance épuise rapidement la charge emmagasinée et permet au transistor de s'ouvrir pour empêcher le transistor d'être endommagé par un courant excessif. - 8 -

Claims

REVENDICATIONS

1. Interrupteur de circuit caractérisé' en ce qu'il comporte:

un transistor de puissance (Q2) branché aux bor-

S nes d'une paire de contact séparables (12, 13)pour transfé-

rer le courant de circuit hors des contacts lorsque les con-

tacts vont se séparer, et une source électrique (18) pour fournir une charge emmagasinée à la jonction base-collecteur du transistor de

puissance lorsque les contacts séparables sont fermés.

Z. Interrupteur de circuit selon la revendication

1, caractérisé en ce qu'il comporte un transistor de comman-

de (Q1) relié à un collecteur du transistor de puissance (Q2) et à la source électrique (18) pour fournir un trajet conducteur entre la source électrique et le transistor de puissance. 3. Interrupteur de circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une première résistance (R1) entre la base du transistor de commande (Q1) et la source électrique pour limiter le courant de commande de

base vers le transistor de commande.

4. Interrupteur de circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième résistance (R2) entre la base du transistor de puissance et la source électrique pour limiter le courant de commande de base vers

le transistor de puissance.

5. Interrupteur de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un interrupteur (20)

relié au contact séparable grâce à quoi l'ouverture des con-

tacts (12, 13) ouvre l'interrupteur et la fermeture des con-

tacts ferme l'interrupteur (20).

6. Interrupteur de circuit selon la revendication

2, caractérisé en ce que un émetteur du transistor de com-

mande (Q1) est relié à la source électrique (18) pour fournir un trajet conducteur dans le transistor de commande -9-

entre la base et l'émetteur de transistor de commande (Q1).

-7. Interrupteur de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un élément fonction de

la tension (42) branché aux bornes du transistor de puissan-

ce (Q2) pour transférer le courant de circuit hors du transistor de puissance lorsque la charge emmagasinée est épuisée. 8. Interrupteur de circuit caractérisé en ce qu'il comporte:

un transistor de puissance (Q4) branché aux bor-

nes d'une paire de contacts séparables (26, 27) à l'inté-

rieur d'un circuit à courant alternatif protégé pour trans-

férer le courant du circuit hors des contacts lorsque les contacts vont se séparer; un moyen d'alimentation en courant (38) relié à la base du transistor de puissance par un interrupteur (39) et par un transistor de commande (Q3) pour fournir une charge emmagasinée à la jonction basecollecteur du transistor de puissance (Q4) lorsque l'interrupteur et les contacts sont fermés pour fermer le transistor de puissance lorsque les contacts vont se séparer;

un redresseur (D1-D4) en circuit avec les con-

tacts séparables pour fournir un courant continu au transis-

tor de puissance et au transistor de commande lorsque les contacts sont séparés; et des moyens dépendant de la tension (42) branchés aux bornes du transistor de puissance (Q4) pour transférer

le courant du circuit hors du transistor de puissance lors-

que les contacts sont séparés et après que la charge emmaga-

sinée soit épuisée.

9. Interrupteur de circuit selon la revendication

8, caractérisé en ce que les bases du transistor de puissan-

ce (Q4) et du transistor de commande (Q3) sont reliées à l'alimentation en puissance par des résistances limitatrices

de courant (R3, R4).

- 10 -

10. Interrupteur de circuit selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen d'alimentation en courant

est relié aux bornes d'un émetteur et d'une base du transis-

tor de commande pour fournir un courant base-émetteur dans le transistor de commande pour rendre ce dernier conducteur. 11. Interrupteur de circuit selon la revendication

8, caractérisé en ce qu'un collecteur du transistor de com-

mande (Q3) est relié au collecteur du transistor de puis-

sance (Q4) pour fournir un trajet conducteur dans le transistor de commande vers le collecteur et la base du transistor de puissance pour fournir la charge emmagasinée à la jonction base-collecteur du transistor de puissance

(Q4). -

12. Interrupteur de circuit caractérisé en ce qu'il comporte: - un transistor de puissance (Q5) branché aux bornes de contacts séparables (47, 48) par une diode (D5)

pour transférer le courant continu du circuit hors des con-

tacts lorsque les contacts vont se séparer; et - un moyen d'alimentation en courant relié à une

base du transistor de puissance et à l'un des contacts sépa-

rables par un interrupteur (54) pour fournir le courant ba-

se-collecteur au transistor de puissance pour fournir la charge emmagasinée à la base du transistor de puissance lorsque les contacts séparables (47, 48) et l'interrupteur (54) sont fermés, grâce à quoi le transistor de puissance se ferme lorsque les contacts vont se séparer pour transférer le courant du circuit hors des contacts et le transistor de

puissance s'ouvre lorsque les contacts sont séparés et l'in-

terrupteur (54) est ouvert par appauvrissement de la charge

emmagasinée à partir du transistor de puissance.

13. Interrupteur de circuit selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance (R5)

dans le trajet conducteur pour limiter le courant base-col-

lecteur dans le transistor de puissance.

- 11 -

14. Interrupteur de circuit selon la revendication 12, caractérisé en ce que les contacts séparables (47, 48) et l'interrupteur (54) sont reliés de manière à s'ouvrir et

se fermer simultanément.

15. Interrupteur Je circuit selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte un élément dépendant de la tension (42) aux bornes du transistor de puissance pour

transférer le courant du-circuit hors du transistor de puis-

sant lorsque le transistor de puissance est fermé.