FR2718904A1

FR2718904A1 - High voltage switch for high-speed operation

Info

Publication number: FR2718904A1
Application number: FR9404456A
Authority: FR
Inventors: Chatroux Daniel; Guidini Rodolphe; Guyon Yves
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Compagnie Generale des Matieres Nucleaires SA
Current assignee: Orano Cycle SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1994-04-14
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 1995-10-20
Anticipated expiration: 2014-04-14
Also published as: FR2718904B1

Abstract

An input voltage is passed via a transformer (8) to a secondary output stage (8b) and memory (14). The memory has a blocking diode (24) and parallel capacitor (22). A second transformer (10) applies an input voltage to a reset to zero circuit (20) which is applied to the return path of the capacitor.A switched pulse is produced which is applied to the input (16) of a current amplifier (18). The amplifier is driven through a driver circuit (12) with voltage input from a transformer (46). The current amplifier output is applied to a switching mechanism (2) across the high voltage rail (4), thus switching the high voltage.

Description

COMMUTATEUR RAPIDE DE HAUTE TENSION A-AMPLIFICATEUR
D'IMPULSIONS
Domaine technique
L'invention concerne un commutateur rapide de haute tension et plus particulièrement un commutateur de puissance comprenant des composants à grille isolée du type MOSFET, IGBT ou MCT capables de commuter rapidement des tensions continues importantes et montés en général en série dans un circuit électrique de haute tension. Le rôle du commutateur est de provoquer l'ouverture et la fermeture du circuit électrique en réponse à des impulsions de commande; Un tel commutateur peut être utilisé dans les domaines de l'électronique de puissance, de l'électronique impulsionnelle, dans des dispositifs de conversion d'énergie nécessitant la commutation de hautes tensions positives et négatives ainsi que dans des applications de type symétrique (push-pull) et de montages en pont.HIGH VOLTAGE FAST SWITCH WITH AMPLIFIER
PULSES
Technical area
The invention relates to a high voltage fast switch and more particularly to a power switch comprising insulated gate components of the MOSFET, IGBT or MCT type capable of rapidly switching large DC voltages and generally connected in series in a high electrical circuit. voltage. The role of the switch is to cause the opening and closing of the electrical circuit in response to control pulses; Such a switch can be used in the fields of power electronics, pulse electronics, in energy conversion devices requiring the switching of high positive and negative voltages as well as in symmetrical type applications (push- sweater) and bridge assemblies.

Etat de la technique antérieure
On connait des commutateurs dans lesquels des dispositifs de commutation à transistors à effet de champ de type MOS montés en série dans un circuit sont commandés par un transformateur d'impulsions commun.State of the art
Switches are known in which switching devices with MOS type field effect transistors connected in series in a circuit are controlled by a common pulse transformer.

Pour plus de détails quant au fonctionnement de ces appareil on peut se référer utilement, par exemple, à la demande de brevet européen EP-O 048 758.For more details as to the operation of these devices one can usefully refer, for example, to European patent application EP-O 048 758.

Un certain nombre de difficultés apparaissent toutefois avec les commutateurs connus de ce type, notamment pour la réalisation d'un isolement galvanique correct des enroulements du transformateur pour la haute tension. La lenteur des commutateurs, liée au temps de réponse important des dispositifs MOS montés en série, constitue un inconvénient supplémentaire. La lenteur de la réponse est proportionnelle à l'impédance des enroulements secondaires du transformateur et donc fonction du nombre de dispositifs MOS montés en série dans le circuit. However, a certain number of difficulties arise with known switches of this type, in particular for achieving correct galvanic isolation of the transformer windings for high voltage. The slowness of the switches, linked to the long response time of MOS devices connected in series, constitutes an additional drawback. The slowness of the response is proportional to the impedance of the secondary windings of the transformer and therefore a function of the number of MOS devices connected in series in the circuit.

Pour obtenir des temps de commutation très courts avec plusieurs dispositifs à grille isolée interconnectés en série, une synchronisation des impulsions de commande meilleure que 1 nanoseconde est souhaitable pour un équilibrage convenable des tensions élémentaires de chacun des dispositifs à grille isolée. To obtain very short switching times with several insulated gate devices interconnected in series, a synchronization of the control pulses better than 1 nanosecond is desirable for proper balancing of the elementary voltages of each of the insulated gate devices.

Pour cette raison, un transformateur avec un seul ou quelques enroulements secondaires est préconisé.For this reason, a transformer with only one or a few secondary windings is recommended.

A ce sujet, le brevet allemand DE-36 30775 illustre la réalisation de commutateurs haute tension de trois types : des commutateurs avec ordre de mise en conduction commandé et largeur d'impulsion fixe, des commutateurs avec ordres de mise en conduction et de blocage issus des mêmes transformateurs d'impulsions et enfin, des commutateurs avec ordres de mise en conduction et de blocage issus de transformateurs d'impulsions distincts. In this regard, the German patent DE-36 30775 illustrates the production of high voltage switches of three types: switches with commanded drive command and fixed pulse width, switches with drive commands and blocking orders from of the same pulse transformers and finally, switches with conduction and blocking orders from separate pulse transformers.

Des commutateurs de ce type présentent néanmoins deux inconvénients essentiels. Switches of this type nevertheless have two essential drawbacks.

Tout d'abord, ils ne permettent pas de ralentir les commutations des dispositifs à grille isolée. Ceci empêche de maîtriser les vitesses de chute de tension et donc de limiter les courants de décharge des capacités parasites ou de commutation des diodes du dispositif de commutation. First of all, they do not make it possible to slow down the switching operations of insulated gate devices. This prevents control of the voltage drop rates and therefore limits the discharge currents of the stray capacitances or switching of the diodes of the switching device.

Le deuxième inconvénient est l'impossibilité de commander des dispositifs importants, car l'énergie fournie aux grilles des transistors du dispositif provient directement des impulsions de commande. The second drawback is the impossibility of controlling large devices, since the energy supplied to the gates of the device transistors comes directly from the control pulses.

Un but de la présente invention est justement de fournir un commutateur ne présentant pas les inconvénients mentionnés et ce quels que soient le nombre et le type des dispositifs de commutation à grille isolée utilisés. An object of the present invention is precisely to provide a switch which does not have the drawbacks mentioned, regardless of the number and type of insulated gate switching devices used.

Plus précisément, le but de la présente invention est de fournir un commutateur à moindre coût avec une impédance particulièrement basse, avec une isolation galvanique élevée par rapport à la haute tension et avec une vitesse d'établissement de la commutation contrôlable à la mise en conduction et au blocage des dispositifs de commutation à grille isolée. More specifically, the object of the present invention is to provide a switch at a lower cost with a particularly low impedance, with a high galvanic isolation with respect to the high voltage and with a speed of establishment of the switching controllable at the setting in conduction and blocking of insulated gate switching devices.

Exposé de l'invention
A cet effet, l'invention concerne un commutateur rapide de haute tension comportant au moins un dispositif de commutation d'un circuit de haute tension, au moins un transformateur d'impulsions avec une sortie apte à délivrer des impulsions de commutation pour le dispositif de commutation en réponse à des impulsions de commande fournie par des moyens de commande sur une entrée du transformateur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un moyen d'amplification des impulsions de commutation, connecté entre la sortie du transformateur et le dispositif de commutation, et aptes à fournir un courant de commande pour le dispositif de commutation en réponse aux impulsions de commutation.Statement of the invention
To this end, the invention relates to a high voltage fast switch comprising at least one device for switching a high voltage circuit, at least one pulse transformer with an output capable of delivering switching pulses for the device. switching in response to control pulses supplied by control means on an input of the transformer, characterized in that it further comprises at least one means for amplifying the switching pulses, connected between the output of the transformer and the device and capable of providing control current for the switching device in response to the switching pulses.

On entend par haute tension des tensions généralement supérieures à lkV. By high voltage is meant voltages generally greater than lkV.

On désigne par ailleurs par "dispositif de commutation" un composant ou plusieurs composants associés capables d'ouvrir ou de fermer le circuit de haute tension. The term “switching device” also denotes a component or several associated components capable of opening or closing the high voltage circuit.

Comme le courant de commande du ou des dispositifs de commutation n'est pas fourni directement par le transformateur, mais par l'intermédiaire du moyen d'amplification, il est possible de commander des dispositifs de commutation quels que soient le type et le nombre de composants qu'ils comportent. As the control current of the switching device (s) is not supplied directly by the transformer, but via the amplification means, it is possible to control switching devices regardless of the type and number of components they contain.

Plusieurs de ces composants, qui sont par exemple du type MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor), du type IGBT (Insulated Gate
Bipolar Transistor) ou du type MCT (MOS Controlled
Thyristor) peuvent par exemple être montés en parallèle pour former le dispositif de commutation.Several of these components, which are for example of the MOSFET type (Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor), of the IGBT (Insulated Gate) type
Bipolar Transistor) or MCT (MOS Controlled)
Thyristor) can for example be connected in parallel to form the switching device.

Ainsi, la taille des transformateurs d'impulsion peut être réduite, pour un nombre constant de composants, ce qui va dans le sens d'une plus grande facilité de réalisation et d'un coût réduit. Thus, the size of the pulse transformers can be reduced, for a constant number of components, which goes in the direction of greater ease of production and reduced cost.

Selon une réalisation avantageuse de l'invention, le commutateur peut comporter au moins un premier transformateur d'impulsions avec une entrée reliée à un premier moyen de commande dit de fermeture du circuit de haute tension, au moins un second transformateur d'impulsions avec une entrée reliée à un second moyen de commande dit d'ouverture du circuit de haute tension, le moyen d'amplification comportant des moyens de mémoire et un amplificateur de courant, les moyens de mémoire étant capables d'appliquer à l'amplificateur une première tension rémanente en réponse à une impulsion provenant du premier transformateur et une seconde tension rémanente en réponse à une impulsion provenant du second transformateur et l'amplificateur de courant étant capable de fournir un courant de commande respectivement de fermeture et d'ouverture pour le dispositif de commutation en réponse respectivement à la première et à la seconde tension rémanente. According to an advantageous embodiment of the invention, the switch can comprise at least a first pulse transformer with an input connected to a first control means called closing the high voltage circuit, at least a second pulse transformer with a input connected to a second control means called opening the high voltage circuit, the amplification means comprising memory means and a current amplifier, the memory means being capable of applying a first voltage to the amplifier remanent in response to a pulse from the first transformer and a second remanent voltage in response to a pulse from the second transformer and the current amplifier being capable of supplying respectively closing and opening control current for the switching device in response to the first and second remanent voltages, respectively.

Grâce à la présence de deux transformateurs d'impulsions différents il est possible de communiquer de manière indépendante les ordres de fermeture et d'ouverture du circuit. La séparation des ordres de commande permet de faire fonctionner les commutateurs aussi bien pour des largeurs d'impulsion très courtes que pour de la conduction continue. Thanks to the presence of two different pulse transformers it is possible to communicate independently the closing and opening orders of the circuit. The separation of the control commands makes it possible to operate the switches both for very short pulse widths and for continuous conduction.

On peut noter à ce sujet que des largeurs très courtes ne sont pas possibles lorsque les ordres de commande ne sont pas séparés. It should be noted in this regard that very short widths are not possible when the order orders are not separated.

Selon un mode de mise en oeuvre intéressant, le moyen d'amplification peut comporter les moyens d'alimentation indépendants avec un troisième transformateur dont le côté primaire est relié à une ligne d'alimentation électrique indépendante. According to an advantageous embodiment, the amplification means may comprise independent supply means with a third transformer whose primary side is connected to an independent power supply line.

Grâce à ces mesures, l'énergie pour l'amplification est fournie indépendamment des impulsions de commutation. Thanks to these measures, the energy for amplification is supplied independently of the switching pulses.

Selon le cas, le commutateur peut comprendre soit un seul dispositif de commutation soit une pluralité de dispositifs de commutation reliés respectivement à une pluralité de premiers et seconds transformateurs, respectivement par une pluralité de moyens d'amplification, la pluralité de premiers transformateurs étant reliée à un unique moyen de commande de fermeture de circuit et la pluralité de seconds transformateurs étant reliée à un unique moyen de commande d'ouverture de circuit. Depending on the case, the switch may comprise either a single switching device or a plurality of switching devices connected respectively to a plurality of first and second transformers, respectively by a plurality of amplification means, the plurality of first transformers being connected to a single circuit closing control means and the plurality of second transformers being connected to a single circuit opening control means.

Cette dernière configuration peut aussi être comprise comme une chaîne de modules de commutateur comprenant chacun un seul dispositif de commutation, les modules étant associés en chaîne et les dispositifs de commutation correspondant étant branchés en série dans le circuit de haute tension. This latter configuration can also be understood as a chain of switch modules each comprising a single switching device, the modules being associated in a chain and the corresponding switching devices being connected in series in the high voltage circuit.

Selon une autre forme de réalisation encore, une pluralité de dispositifs de commutation peuvent également être reliés à un premier et un second transformateurs d'impulsions uniques. According to yet another embodiment, a plurality of switching devices can also be connected to a first and a second single pulse transformers.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description de modes de réalisations qui va suivre, en référence aux dessins annexés. Other characteristics and advantages of the invention will appear in the description of embodiments which follows, with reference to the accompanying drawings.

Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur des exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une représentation schématique d'un commutateur selon l'invention avec différents éléments fonctionnels qu'il comporte,
- les figures 2a à 2d sont des représentations schématiques de différentes configurations de dispositif de commutation destinés au commutateur selon l'invention,
- la figure 3 est une représentation schématique d'une réalisation d'un commutateur selon l'invention comportant plusieurs dispositifs de commutation,
- la figure 4 est une représentation schématique d'une autre réalisation d'un commutateur selon l'invention avec plusieurs dispositifs de commutation.Brief description of the figures
In any case, the characteristics and advantages of the invention will appear better in the light of the description which follows. This description relates to exemplary embodiments, given by way of explanation and without limitation, with reference to the appended drawings in which
FIG. 1 is a schematic representation of a switch according to the invention with different functional elements which it comprises,
FIGS. 2a to 2d are schematic representations of different configurations of switching device intended for the switch according to the invention,
FIG. 3 is a schematic representation of an embodiment of a switch according to the invention comprising several switching devices,
- Figure 4 is a schematic representation of another embodiment of a switch according to the invention with several switching devices.

Description détaillée de modes de réalisation
Un dispositif de commutation à grille isolée qui porte la référence 2 sur la figure l est monté dans un circuit de haute tension 4 partiellement représenté, qu'il est susceptible successivement d'ouvrir et de fermer. Detailed description of embodiments
A switching device with an insulated gate which bears the reference 2 in FIG. 1 is mounted in a high-voltage circuit 4 partially shown, which it is capable of successively opening and closing.

Une borne de commande 6 du dispositif 2 est reliée aux étages secondaires 8b et 10b d'un premier 8 et d'un second 10 transformateurs d'impulsions à noyau torique par l'intermédiaire d'un moyen d'amplification d'impulsions 12. Le moyen 12 comporte des moyens de mémoire 14 capables d'appliquer une première tension rémanente à l'entrée 16 d'un amplificateur de courant 18 en réponse à une impulsion de commutation du premier transformateur d'impulsions 8, et une seconde tension rémanente en réponse à une impulsion du second transformateur d'impulsions 10 transmise par des moyens de "remise à zéro" 20. A control terminal 6 of the device 2 is connected to the secondary stages 8b and 10b of a first 8 and a second 10 pulse transformers with toroidal core by means of pulse amplification means 12. The means 12 comprises memory means 14 capable of applying a first remanent voltage to the input 16 of a current amplifier 18 in response to a switching pulse of the first pulse transformer 8, and a second remanent voltage in response to a pulse from the second pulse transformer 10 transmitted by "reset" means 20.

A cet effet, la mémoire 14 comporte un condensateur électrique 22 susceptible d'être chargé à la première tension rémanente par une impulsion venant du transformateur 8, et une diode de blocage 24 pour maintenir cette charge. To this end, the memory 14 includes an electric capacitor 22 capable of being charged at the first non-volatile voltage by a pulse coming from the transformer 8, and a blocking diode 24 to maintain this charge.

Le condensateur 22 est par contre susceptible d'être déchargé par Les moyens de remise à zéro 20. Les moyens 20 comportent un transistor 26, de type NPN dont le collecteur 28 et l'émetteur 30 sont branchés en parallèle sur le condensateur 22 et qui est saturé lorsqu'un courant, fourni notamment par un condensateur 34, traverse sa base 32, suite à une impulsion de commutation provenant du transformateur d'impulsions 10. Le courant est appliqué à la base 32 par l'intermédiaire d'un condensateur d'accélération 33 et d'une résistance de base 35. Par ailleurs, on note sur la figure la présence d'une résistance 37 pour polariser la base du transistor. The capacitor 22 is on the other hand capable of being discharged by the reset means 20. The means 20 comprise a transistor 26, of NPN type, the collector 28 and the emitter 30 of which are connected in parallel to the capacitor 22 and which is saturated when a current, supplied in particular by a capacitor 34, passes through its base 32, following a switching pulse originating from the pulse transformer 10. The current is applied to the base 32 via a capacitor d acceleration 33 and a base resistor 35. Furthermore, we note in the figure the presence of a resistor 37 to bias the base of the transistor.

Le fonctionnement de moyens de mémoire est donc le suivant : lorsqu'une impulsion provient du transformateur 8, le condensateur 22 est chargé via la diode 24 et la première tension rémanente, qui est la tension de charge du condensateur 22 est appliquée à l'entrée 16 de l'amplificateur 18. The operation of memory means is therefore as follows: when a pulse comes from the transformer 8, the capacitor 22 is charged via the diode 24 and the first non-volatile voltage, which is the charging voltage of the capacitor 22, is applied to the input 16 of amplifier 18.

Par contre lorsqu'une impulsion provient du transformateur 10, le transistor 26 est saturé et les bornes du condensateur 22 sont quasiment portées à un même potentiel. Le condensateur 22 est quasi instantanément déchargé et la seconde tension rémanente sensiblement égale à 0 volt est appliquée à l'entrée 16 de l'amplificateur 18. On the other hand, when a pulse comes from the transformer 10, the transistor 26 is saturated and the terminals of the capacitor 22 are almost brought to the same potential. The capacitor 22 is almost instantly discharged and the second residual voltage substantially equal to 0 volts is applied to the input 16 of the amplifier 18.

La séparation des ordres de commande permet d'éviter un dysfonctionnement du commutateur en cas de coïncidence temporelle des ordres de fermeture et d'ouverture du circuit de haute tension fournis respectivement par l'intermédiaire des transformateurs 8 et 10, car dans ce dernier cas l'ordre d'ouverture est prioritaire. Elle permet également d'obtenir des temps de conduction réglables allant d'une valeur très petite jusqu'à la conduction continue moyennant un rafraîchisseent des ordres de fermeture. The separation of the control orders makes it possible to avoid a malfunction of the switch in the event of a temporal coincidence of the closing and opening orders of the high voltage circuit supplied respectively via the transformers 8 and 10, because in the latter case the opening order has priority. It also makes it possible to obtain adjustable conduction times ranging from a very small value up to continuous conduction by means of a refresh of closing orders.

L'amplificateur de courant 18, construit pour l'essentiel autour de deux transistors 36, 38 dont les bases sont reliées à la borne d'entrée 16 et qui est alimenté par des moyens d'alimentation 40 permettant de fournir l'énergie nécessaire à la commande du dispositif de commutation 2. Des résistances 42 et 44 relient respectivement les émetteurs des transistors 36 et 38 à la borne 6 du dispositif 2. Le choix de la valeur de la résistance 42 permet notamment d'ajuster la vitesse de mise en conduction des composants du dispositif de commutation 2 et la résistance 44 permet de régler la vitesse de blocage de ces composants. The current amplifier 18, built essentially around two transistors 36, 38 whose bases are connected to the input terminal 16 and which is supplied by supply means 40 making it possible to supply the energy necessary for control of the switching device 2. Resistors 42 and 44 respectively connect the emitters of the transistors 36 and 38 to terminal 6 of the device 2. The choice of the value of the resistor 42 makes it possible in particular to adjust the conduction speed of the components of the switching device 2 and the resistor 44 makes it possible to adjust the blocking speed of these components.

Les moyens d'alimentation 40 sont associés à un transformateur 46 dont le côté primaire est relié à un câble 48 parcouru par un courant alternatif et dont le côté secondaire est relié aux moyens d'alimentation 40 qui comprennent des moyens de redressement 50, des moyens de filtrage 52 et de stabilisation 54. The supply means 40 are associated with a transformer 46 whose primary side is connected to a cable 48 traversed by an alternating current and whose secondary side is connected to the supply means 40 which include rectifying means 50, means filtering 52 and stabilization 54.

Les moyens d'alimentation 40 sont reliés à l'amplificateur respectivement sur les collecteurs des transistors 36 et 38. The supply means 40 are connected to the amplifier respectively on the collectors of the transistors 36 and 38.

I1 convient à présent de détailler aussi les moyens de commande du commutateur de l'invention. La commande est assurée par deux composants MOS ("Metal
Oxide Semiconductor") 60 et 62 permettant de fournir respectivement des signaux de commande d'ouverture et de fermeture du circuit de haute tension.I1 should now also detail the control means of the switch of the invention. The command is provided by two MOS components ("Metal
Oxide Semiconductor ") 60 and 62 used to supply respectively opening and closing control signals for the high voltage circuit.

Les composants 60 et 62 sont montés respectivement dans des lignes formées par des câbles 64, 68 qui forment à leur tour les enroulements primaires 10a, 8a des transformateurs d'impulsions 10 et 8. Les lignes 64 et 68 sont reliées par ailleurs à une source de tension auxiliaire Vaux par l'intermédiaire de résistances Raux et capacités Caux. The components 60 and 62 are mounted respectively in lines formed by cables 64, 68 which in turn form the primary windings 10a, 8a of the pulse transformers 10 and 8. The lines 64 and 68 are also connected to a source auxiliary voltage Vaux via Raux resistors and Caux capacitors.

Les composants 60 et 62, en fermant les lignes électriques 64 ou 68, permettent d'envoyer respectivement les impulsions de commande d'ouverture ou de fermeture aux transformateurs 10 et 8. The components 60 and 62, by closing the electrical lines 64 or 68, make it possible to send the opening or closing control pulses respectively to the transformers 10 and 8.

Les figures 2a à 2d illustrent différentes variantes de dispositifs de commutation 2 susceptibles d'être commandés par le commutateur. Les bornes 6, 70 et 72 représentent pour chaque variante illustrée respectivement une borne de commande de type grille, une borne de type drain et une borne de type source, en référence aux transistors à effet de champ usuels. Ces bornes également indiquées sur la figure 1 permettent en outre d'indiquer le sens de montage du dispositif 2 dans le commutateur. FIGS. 2a to 2d illustrate different variants of switching devices 2 capable of being controlled by the switch. The terminals 6, 70 and 72 represent for each variant illustrated respectively a gate type control terminal, a drain type terminal and a source type terminal, with reference to the usual field effect transistors. These terminals also indicated in FIG. 1 also make it possible to indicate the direction of mounting of the device 2 in the switch.

Les dispositifs 2 des figures 2a et 2b comportent un seul composant respectivement du type
MOSFET et IGBT
Les dispositifs 2 illustrés dans les figures 2c et 2d comportent trois composants identiques montés en parallèle et respectivement du type MOSFET et IGBT.The devices 2 of FIGS. 2a and 2b comprise a single component respectively of the type
MOSFET and IGBT
The devices 2 illustrated in FIGS. 2c and 2d comprise three identical components mounted in parallel and respectively of the MOSFET and IGBT type.

I1 est évident que le nombre de composants à grille isolée que comporte le dispositif n'est pas limité à trois mais peut être choisi en fonction des nécessités de l'usage et de la destination du commutateur. Comme, grâce à l'invention, le courant de commande ne provient pas directement des transformateurs d'impulsions, le nombre de composants commandés n'est pas critique et est indépendant de la taille des transformateurs. It is obvious that the number of insulated grid components that the device comprises is not limited to three but can be chosen according to the requirements of the use and the destination of the switch. As, thanks to the invention, the control current does not come directly from the pulse transformers, the number of components controlled is not critical and is independent of the size of the transformers.

Lorsque la tension du circuit de haute tension est importante, il peut en outre s'avérer nécessaire de recourir à plusieurs dispositifs de commutation branchés en série. When the voltage of the high-voltage circuit is high, it may also be necessary to use several switching devices connected in series.

Dans ce cas pour répartir convenablement les tensions élémentaires que chaque dispositif doit commuter, une excellente synchronisation des impulsions de commutation est souhaitable. In this case, to properly distribute the elementary voltages that each device must switch, excellent synchronization of the switching pulses is desirable.

Le commutateur représenté à la figure 3 illustre ce cas ou plusieurs dispositifs de commutation 2 sont branchés en série. The switch shown in FIG. 3 illustrates this case where several switching devices 2 are connected in series.

Le commutateur de cette figure peut être compris comme l'association de trois commutateurs ou modules de commutateurs conformes à la représentation de la figure 1. Les éléments constitutifs comportent par voie de conséquence des références en correspondance avec celles de la figure 1. The switch of this figure can be understood as the association of three switches or switch modules in accordance with the representation of FIG. 1. The constituent elements consequently include references corresponding to those of FIG. 1.

I1 apparaît que, pour mettre en série les dispositifs 2, la borne de type source 70 d'un premier dispositif de commutation 2 est reliée à la borne de type drain 72 du dispositif suivant. I1 appears that, in order to put the devices 2 in series, the source type terminal 70 of a first switching device 2 is connected to the drain type terminal 72 of the following device.

Le résultat est qu'un excellent isolement galvanique et un synchronisme des ordres de commande (fermeture et ouverture) meilleur que la nanoseconde sont réalisés par la paire de transformateurs d'impulsions 8, 10 à noyau torique associée à chacun des dispositifs en série. Le premier transformateur 8 est utilisé pour la transmission des ordres de fermeture et le deuxième 10 pour la transmission des ordres d'ouverture, de même que dans le cas précédent de la figure 1. The result is that excellent galvanic isolation and synchronization of control commands (closing and opening) better than the nanosecond are achieved by the pair of pulse transformers 8, 10 with toroidal core associated with each of the devices in series. The first transformer 8 is used for the transmission of the closing orders and the second 10 for the transmission of the opening orders, as in the previous case of FIG. 1.

Les enroulements primaires des transformateurs d'impulsions 8a, 10a sont constitués de deux uniques câbles 68, 64. Le premier câble 68 traverse tous les noyaux toriques des transformateurs d'impulsions de fermeture 8 et le deuxième câble 64 traverse tous les noyaux toriques des transformateurs d'impulsion d'ouverture 10. Les transformateurs tiennent de manière permanente l'isolement galvanique entre les signaux de commande et le commutateur du côté de la haute tension. The primary windings of the pulse transformers 8a, 10a consist of two single cables 68, 64. The first cable 68 passes through all the toroidal cores of the closing pulse transformers 8 and the second cable 64 passes through all the toric nuclei of the transformers opening pulse 10. The transformers permanently maintain galvanic isolation between the control signals and the switch on the high voltage side.

Chaque paire d'enroulement secondaire 8b, 10b de fermeture et d'ouverture des transformateurs 8, 10 est associée à un dispositif à grille isolée 2. Les deux enroulements sont reliés respectivement à des moyens de mémoire 14 commandant la fermeture et à des moyens de remise à zéro 20 qui lorsqu'ils sont sollicités désactivent la "mémoire" de fermeture et ordonnent l'ouverture du dispositif 2 associé. Each pair of secondary windings 8b, 10b for closing and opening the transformers 8, 10 is associated with an insulated grid device 2. The two windings are respectively connected to memory means 14 controlling the closing and to means for reset to zero 20 which when requested deactivate the closing "memory" and order the opening of the associated device 2.

Les signaux issus des moyens de mémoire 14 et de remise à zéro 20 n'attaquent pas directement le dispositif à grille isolée 2. Ils passent par un amplificateur de courant 18 dont la sortie commande le dispositif à grille isolée associé. Cette astuce permet de commander des composants de forte puissance. The signals from the memory 14 and reset 20 means do not directly attack the insulated gate device 2. They pass through a current amplifier 18 whose output controls the associated insulated gate device. This trick allows you to order high power components.

Lorsqu'une impulsion positive est délivrée à la borne d'entrée du composant 62 du câble 68, un courant pulsé s'établit dans ce câble et, en conséquence, une tension réglable, déterminée par le niveau de tension de la source auxiliaire Vaux, de l'ordre de 10 à 15
Volts s'établit simultanément en quelques nanosecondes sur chacun des moyens de mémoire 14 via les transformateurs 8. Cette tension est stockée et transmise aux grilles de commande des dispositifs de commutation 2 par l'intermédiaire des amplificateurs de courant 18. Ces derniers permettent de contrôler la vitesse d'apparition de la tension sur les grilles des composants à grille isolée de puissance des dispositifs 2 et donc leur vitesse de mise en conduction. L'énergie nécessaire à la commutation des composants à grille isolée provient non pas des moyens de mémoire mais des moyens d'alimentation 40.When a positive pulse is delivered to the input terminal of the component 62 of the cable 68, a pulsed current is established in this cable and, consequently, an adjustable voltage, determined by the voltage level of the auxiliary source Vaux, in the range of 10 to 15
Volts is established simultaneously in a few nanoseconds on each of the memory means 14 via the transformers 8. This voltage is stored and transmitted to the control gates of the switching devices 2 via the current amplifiers 18. The latter make it possible to control the speed of appearance of the voltage on the grids of the components with insulated grid of power of the devices 2 and therefore their conduction speed. The energy required for switching the components with an insulated gate comes not from the memory means but from the supply means 40.

Le nombre de commutateurs ou de modules de commutateurs qu'il est possible d'associer selon le modèle de la figure 3 n'est bien entendu pas limité à trois mais peut être adapté en fonction des nécessités de l'utilisation. The number of switches or switch modules that it is possible to associate according to the model of FIG. 3 is of course not limited to three but can be adapted according to the needs of the use.

La figure 4 montre une variante de réalisation d'un commutateur où plusieurs dispositifs de commutation 2 sont branchés en série. L'utilisation de références identiques pour des parties en correspondance avec les illustrations des figures précédentes permet de se reporter aux explications de ces figures quand à leur fonctionnement. FIG. 4 shows an alternative embodiment of a switch where several switching devices 2 are connected in series. The use of identical references for parts in correspondence with the illustrations of the preceding figures makes it possible to refer to the explanations of these figures as to their operation.

Sur le commutateur de la figure 4, chaque transformateur d'impulsions 8 et 10, ainsi que le transformateur 46, comporte un enroulement primaire, respectivement 8a, 10a, 46a plusieurs enroulements secondaires, respectivement 8b, 10b, 46b. On the switch of FIG. 4, each pulse transformer 8 and 10, as well as the transformer 46, comprises a primary winding, respectively 8a, 10a, 46a several secondary windings, respectively 8b, 10b, 46b.

Chaque enroulement secondaire respectivement 8b, 10b, 46b est associé à respectivement des moyens de mémoire 14, des moyens de remise à zéro 20 et à des moyens d'alimentation. Each secondary winding respectively 8b, 10b, 46b is associated respectively with memory means 14, reset means 20 and with supply means.

Une impulsion sur le câble 68 provoque une impulsion de commande sur l'enroulement primaire 8a du transformateur 8 et par conséquent des impulsions de commutations de fermeture dirigés vers tous les dispositifs 2 (en série) via les moyens 14 et 18 respectivement associés. A pulse on the cable 68 causes a control pulse on the primary winding 8a of the transformer 8 and consequently closing switching pulses directed to all the devices 2 (in series) via the means 14 and 18 respectively associated.

De même, une impulsion sur le cable 64 provoque l'ouverture de tous les dispositifs 2. Similarly, a pulse on the cable 64 causes the opening of all the devices 2.

Les moyens d'alimentation 40 sont fournis en énergie également par un unique transformateur 46. The supply means 40 are also supplied with energy by a single transformer 46.

Lorsque les transformateurs ne comportent qu'un seul enroulement secondaire comme aux figures 1 et 3, l'isolement galvanique ne pose pas de problèmes : il est obtenu par les cables primaires des transformateurs, le noyau torique en matériau magnétique de chaque transformateur étant dans ce cas respectivement relié électriquement au secondaire du transformateur. Dans le cas du commutateur de la figure 4, il convient par contre d'isoler entre eux les enroulements secondaires. When the transformers have only one secondary winding as in FIGS. 1 and 3, the galvanic isolation does not pose any problems: it is obtained by the primary cables of the transformers, the toric core made of magnetic material of each transformer being in this case respectively electrically connected to the transformer secondary. In the case of the switch in FIG. 4, it is however necessary to isolate the secondary windings between them.

Toutefois, la réduction du nombre de transformateurs, par rapport aux commutateurs des figures précédentes permet de diminuer considérablement leur poids et. leur encombrement. Ceci étant d'autant plus important que le nombre de dispositifs de commutation mis en série est grand. However, the reduction in the number of transformers, compared with the switches of the preceding figures makes it possible to considerably reduce their weight and. their size. This being all the more important as the number of switching devices put in series is large.

Claims

1. High voltage fast switch comprising at least one switching device (2) of a high voltage circuit (4), at least one pulse transformer (8, 10) with an output (8b, 10b) capable of delivering switching pulses for the switching device (2) in response to control pulses supplied by control means (60, 62) on an input of the transformer (8a, 10a), characterized in that it comprises in addition to at least one amplification means (12) of the switching pulses, connected between the output of the transformer (8b, 10b) and the switching device (2), and capable of supplying a control current for the switching device ( 2) in response to the switching pulses.

2. High voltage fast switch according to claim 1, characterized in that it comprises at least a first pulse transformer (8) with an input (8a) connected to a first control means (62) said to close the high voltage circuit, at least a second pulse transformer (10) with an input (10a) connected to a second control means (60) called for opening the high voltage circuit, the amplification means (12) comprising memory means (14) and a current amplifier (18), the memory means (14) being capable of applying to the amplifier (18) a first remanent voltage in response to a pulse from the first transformer (8 ) and a second remanent voltage in response to a pulse from the second transformer (10) and the current amplifier being capable of supplying respectively a closing and opening control current for the switching device (2) respectively in response to the first re and second remanent voltage.

3. Switch according to claim 2, characterized in that the memory means comprise an electric capacitor (22) charged at the first voltage by each switching pulse of the first transformer (8) and discharged at the second residual voltage in response to a impulse of the second transformer (10), by means (20) called "reset" connected between the second transformer (10) and the memory means (14).

4. Switch according to one of claims 2 or 3, characterized in that the amplification means comprises means (40) independent supply with a third transformer (46) connected between an electrical supply line (48) and the current amplifier (18).

5. Switch according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the first, second and third transformers (8, 10, 46) are transformers with an O-ring.

6. Switch according to any one of the preceding claims, characterized in that the switching device (2) comprises at least one semiconductor component with insulated gate chosen from the components of the IGBT, MOSFET and MCT type.

7. Switch according to claim 6, characterized in that the switching device (2) comprises a plurality of semiconductor components with insulated gate connected in parallel.

8. Switch according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a plurality of switching devices (2) connected respectively to a plurality of first and second transformers (8, 10), respectively by a plurality of means amplification (12), the plurality of first transformers (8) being connected to a single circuit closing control means (60) and the plurality of second transformers (10) being connected to a single opening control means circuit (62).

9. Switch according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises a plurality of switching devices (2) respectively connected to a single first transformer (8) and a single second transformer (10) respectively by a plurality of amplification means (12).

10. Switch according to one of claims 8 or 9, characterized in that the plurality of switching devices (2) is respectively connected in series in the high voltage circuit (4).