CA1173106A

CA1173106A - Energy saving transistor or thyristor inverter

Info

Publication number: CA1173106A
Application number: CA000382416A
Authority: CA
Inventors: Daniel Clenet
Original assignee: La Telemecanique Electrique SA
Current assignee: Telemecanique SA
Priority date: 1981-07-23
Filing date: 1981-07-23
Publication date: 1984-08-21

Abstract

DE DIVULGATION L'invention se rapporte à un dispositif onduleur convertisseur continu-alternatif à valves commandées, montées en pont et à diodes de récupération également montées en pont, ce dispositif étant du type dans lequel les points-milieu du pont des diodes de récupération sont reliés aux points-milieu correspondants du pont de valves. L'invention est caractérisé en ce qu'un circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie est branche à l'onduleur. La présente invention permet un dispositif onduleur avec circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie dans lequel ces pertes par dissipation sont réduites ou supprimées.The invention relates to a continuous-alternating converter inverter device with controlled valves, mounted in bridge and with recovery diodes also mounted in bridge, this device being of the type in which the midpoints of the bridge of the recovery diodes are connected to the corresponding midpoints of the valve bridge. The invention is characterized in that a switching assistance and energy recovery circuit is connected to the inverter. The present invention allows an inverter device with switching assistance and energy recovery circuit in which these losses by dissipation are reduced or eliminated.

Description

~ 1731~
Onduleur à transistors ou à thyristors à récuPération d'énergie L'invention se rapporte à un dispositif onduleur à valves commandées qui sont montées en pont et avec diodes de récupération elles aussi montées en pont, ce dispositif étant du type dans lequel les points-milieu du pont de 5 diodes de récupération sont reliés aux points-milieu corres-pondants du pont de l'onduleur.

La présente invention a pour objet une amélioration des onduleurs du type précité.

Selon l'invention un tel montage e.st caractérise en ce qu'il comprend un circuit d'aide à la commutation et de récupéra-tion d'énergie branché à l'onduleur à transistors ou à
thyristors.

Le fonctionnement des transistors de puissance sur charge inductive, c'est-à-dire sur le type de charge le plus fréquemment rencontré dans les montages où les transistors :
~ouent un rôle de commutation, soumet ceux-ci à des 20 contraintes préjudiciables au rendement du montage et à la durée de vie du transistor.

En particulier, le transistor subit des pertes de commuta-tion à l'amorçage et au blocage. Les premières sont liées à
25 l'apparition d'une surintensité, les secondes à la présence simultanée de toute la tension aux bornes du transistor alors qu'il est encore~traversé par le courant de la charge.

::
., :

1 173~L06 Il est connu, pour réduire la surintensité de l'amorçage, d'insérer une inductance d'aide à la commutation en série avec la charge, avec un circuit composé d'une diode en série avec une résistance, branché en parallèle sur ladite induc-5 tance, la diode étant montée pour se trouver en polarisationdirecte lorsque le transistor est bloqué. Un inconvénient de ce montage est que, au moment du blocage du transistor, l'énergie emmagasinée dans l'inductance d'aide à la commuta-tion se trouve alors dissipée dans la résistance.

Il est également connu, pour réduire la contrainte au bloca-ge, de disposer, en parallèle sur le transistor, un circuit composé d'un condensateur de capacité relativement faible et d'une autre diode en série. Une autre résistance est de pré-15 férence connectée, soit en parallèle sur ladite autre diode,soit en parallèle sur les deux diodes. Ladite autre diode est montée pour être en polarisation directe lorsque le transistor se bloque. Un inconvénient de ce montage est que, au moment de l'amorcage, l'énergie emmagasinée dans le 20 condensateur est dissipée dans ladite autre résistance.

Ainsi, les montages connus d'aide à la commutation des tran-sistors, s'ils réduisent les pertes de commutation proprement dites du transistor, engendrent par contre des 25 pextes par dissipation d'énergle dans les résistances qu'ils comportent. Ces pertes peuvent devenir suffisamment impor-tantes pour détruire le transistor, lorsque la fréquence de commutation et/ou la tension d'alimentation dépassent cer-taines valeurs.

31~6 La présente invention a pour objet un dispositif onduleur avec circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie dans lequel ces pertes par dissipation sont rédui-tes ou supprimées.

Le dispositif selon l'invention comporte, relié à chacune des entrées continues d'un pont de valve à thyristor respec-tivement un premier circuit série comprenant un transistor et une inductance, dont l'autre borne est reliée à la borne 10 respective de l'alimentation ; un deuxième circuit série associé à chaque premier circuit branche en parallèle entre le point commun à l'inductance et au transistor de chaque premier circuit et la borne d'alimentation respective, ledit deuxième circuit comprenant en série un condensateur réser-15 voir et une diode reliée par~ son anode au point commun àl'inductance et au transistor et par sa cathode au conden-sateur réservoir et à l'extrémité respective du pont de dio-des; un circuit convertisseur basse tension - haute tension dont les entrées sont reliées aux bornes du condensateur ré-20 servoir et dont les sorties sont reliées aux bornes du : circuit d'alimentation ; un condensateur d'aide à la commu-tation associé à chaque premier circuit dont une borne est reliée`au point commun au transistor et à l'entrée respec~
tive du pont de thyristor.

Dans un tel montage, le condensateur d'aide à la commutation forme un circuit oscillant avec l'inductance à l'amorçage du transistor et, dans un second temps, le courant qui circu-lait dans l'inductance vient charger le condensateur réser-30 voir auquel l;'énergie est ainsi restituée. De meme, aublocage du transistor, le courant qui circulait dans le con-: - 3 -~ ~73106 densateur d'aide à la commutation, à travers l'inductance d'aide à la commutation vient charger le condensateur réser-voir.

5 Suivant une particularité de l'invention, l'énergie ainsi stockée dans le condensateur réservoir est restituée à la source au moyen d'un montage convertisseur basse tension -haute tension.

10 D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'inven-tion apparaîtront clairement à l'aide de la description ci-après.

Au dessin annexé :

Les figures 1 et 2 sont des schémas de principe d'un dispo~
sitif d'aide à la commutation et de récupération d'énergie utilisable dans un convertisseur-onduleur selon l'invention.
' 20 La figure 3 représente une variante d'un dispositif d'aide à la commutation et de récupération d'énergie également ~ ~ utilisable dans un convertisseur-onduleur selon l'invention.
: :
.
La figure 4 représente un convertisseur polyphasé à transis-25 tors faisant application du dispositif de l'invention, et La fi~ure 5 représente un générateur de tension alternative variable à thyristors faisant application du dispositif de ~l'invention.
Le montage représenté à la figure l comporte un transistor de pu~issance l,~ou plusieurs transistors~ montés en parall-èle, destiné~à l'alimentation d'une charge inductlYe avec ~ : :
~ - 4 -O ~3~06 laquelle il est connecté en série et fonctionnant en commu-tation. La charge comprend une composante inductive 2, une composante résistive 3 et, éventuellement, une force électro-motrice. Une diode de rcupération 4 est, de façon 5 connue en soi, branchée en parallèle sur la charge de manière à être polarisée en sens inverse lorsque le transis-tor est conducteur. La charge peut être reliée indifférem-ment à l'émetteur (cas de la figure) ou au collecteur du transistor.

Quand le transistor est rendu conducteur par application à
sa base d'une tension de commande par des moyens non figurés, le courant délivré par la source traverse l'ensem-ble charge-transistor et retourne à la source. Quand le 15 transistor est bloqué (par les memes moyenslà le courant délivré par la source est brusquement interrompu et le courant circulant dans la composante inductive 2 se referme par la diode 4.

20 Ce phénomène de mise en conduction et de blocage se répète à
la fréquence f déterminée par les moyens de commande et en-traîne des pertes dites de commutation (les pertes de con-duction dans le transistor étant comparativement négligea-bles) qui peuvent devenir suffisamment importantes pour dé-25 tériorer le transistor.

:Les pertes de commutation à la mise en conduction du tran-sistor sont liées à la présence d'une surintensité pendant le temps de recouvrement des charges stockées dans la jonc-30 tion de la diode de récupération. Il est connu de rédulre . .
-.

. .

~ ~73~0~
cette surintensité en insérant, en série avec la charge, une petite inductance d'aide à la commutation, sur laquelle est branché en parallèle un circuit comprenant une diode en série avec une résistance, la diode étant branchée de 5 manière à être en polarisation directe lorsque le transistor est bloqué.

Les pertes de commutation au blocage du transistor sont liées à une croissance de la tension collecteur-émetteur 10 alors que 1~ composante inductive de la charge tend à main-tenir constant le courant dans le transistor. Il est connu de réduire cette tension en disposant, en parallèle sur le transistor, un circuit composé d'un condensateur et d'une diode connectés en série. De préférence, une résistance est 15 connectée en parallèle sur la diode, laquelle est montée de fa,con à etre conductrice quand le transistor se bloque.

Avec ces circuits d'aide à la commutation, les pertes dans le transistor sont fortement diminuées. En contrepartie, il 20 apparait des pertes dans les résistances associées à
1'inductance et au condensateur d'aide à la commutation. Ces pertes sont:

pour l'inductance : PL = 2 L.I x f pour le condensateur : Pc = 2 C.V2 x f On voit apparaitre une limitation à l'augmentation de la puissance P = VI disponible aux bornes de la charge et à
30 celle de la fréquence de fonctionnement. En effet, rapide-~ ~73~06 ment, les pertes Pc et PL deviennent importantes et entrainent d'une part, des problèmes de dissipation et, d'autre part, une détérioration du rendement.

S Le dispositif dont la description suit permet de réduire le nombre de composants utilisés pour les circuits d'aide à la commutation et surtout d'autoriser la récupération des pertes. Avec ce moyen, les pertes sont insignifiantes et, de ce fait, la puissance du dispositif peut etre très fortement 10 augmentée, ainsi que la fréquence de fonctionnement et le rendement est sensiblement amélioré.

Dans le circuit d'aide à la commutation de la figure 1, l'inductance 5 est reliée par une de ses extrémités à une 15 borne du transistor 1 (cette borne pouvant être indifférem-ment le collecteur ou llémetteur). A ce point commun se trouve reliée une borne de la diode 6.

L'autre borne de la diode 6 est reliée à une borne du con-20 densateur 7 d'aide à la commutation et à une borne d'un con-densateur réservoir 8, ayant une valeur très supérieure à
celle du condensateur d'aide à la commutation. Ce condensa-teur réservoir pourra être par exemple un condensateur élec-trochimique basse tension de capacité telle que sa charge 25 reste sensiblement constante au cours du fonctionnement du montage. A titre d'exemple, pour une capacité de 1 ~ F du condensateur d'aide à la commutation, le condensateur 8 pourra avoir une capacité de 1000 ~ F. L'autre borne du con-densateur d'aide à la commutation est connectée à l'autre 30 borne du transistor, et l'autre borne du condensateur réser-.

` ~

t ~7310~
voir est connectée à la borne libre de l'inductance d'aide à
la commutation.

La diode 6 est branchée de telle sorte que le circuit 5 composé de ladite diode et du condensateur réservoir soit en polarisation inverse quand le transistor est conducteur.

On voit que le dispositif d'aide à la commutation qui vient d'être décrit se distingue de dispositifs connus par le fait 10 que la diode et la résistance associées- à l'inductance d'aide à la commutation sont remplacées par un condensateur réservoir. Son fonctionnement est le suivant : à la mise en conduction du transistor, le circuit formé par le condensa-teur d'aide à la commutation en serie avec le condensateur 15 réservoir se -trouve, par l'intermédiaire du transistor, con-necté en parallèle sur l'inductance d'aide à la commutation.
L'ensemble des condensateurs 7 et 8 mis en série est équiva-lent au condensateur 7 de plus faible valeur. Ainsi, le con-densteur 7 et l'inductance 8 forment un circuit oscillant.
20 Le courant qul prend naissance dans ce circuit oscillant a une allure sinusoldale. A l'instant de la mise en conduction du transistor, ce courant ~est nul ; 11 est maximum à
l'instant aorrespondant au quart de la période du circuit oscillant. Au même instant, la tension du condensateur est 25 nulle. Il en est de même pour la tension aux bornes de l'inductance. ~L'instant suivant, la tension présente aux bornes de l'inductance tend à s'inverser, entrainant la fermeture de la diode. Le courant qui circulait dans l'inductance vient alors charger le condensateur réservoir.

:
, ~ 1?73106 Quand le transistor se bloque, le courant qui y circulait est dérivé, par l'intermédiaire de la diode, dans le conden-sateur d'aide à la commutation et, quand la tension collec-teur - émetteur aura atteint la tension de la source, le 5 courant qui circulait dans l'inductance viendra à nouveau charger le condensateur réservoir.

Ce montage permet donc de transférer l'énergie du condensa-teur d'aide à la commutation dans l'inductance d'aide à la 10 commutation, cette énergie étant ensuite transférée dans le condensateur réservoir. Il en est de même pour l'énergie stockée dans l'inductance d'aide à la commutation (cette énergie étant due au courant traversant la charge).

15 Ainsi doncl les énergies:
1 L I2 et 12 C VA

(I étant le courant dans la charge, VA la tension d'alimen-tation, L et C les valeurs de l'inductance et du condensa-20 teur d'aide à la commutation) sont stockées sous forme de tension dans le condensateurréservoir. La tension Vr aux bornes de celui-ci sera donc telle que :

Vr2 = 1 ~L:E:2. + CVA) (Cr étant la valeur du condensateur réservoir).

~ 1~3~06 En fonction de l'énergie ainsi stockée, il sera possible, soit de dissiper celle-ci dans une résistance 9 connectée en parallèle sur le condensateur réservoir, soit de récupérer cette énergie pour la restituer à la source. A cet effet, la 5 résistance 9 sera alors remplacée, par exemple, par un transformateur élévateur de tension fonctionnant à haute fre~uence, ou par un montage utilisant un transistor à haute tension et une inductance. De tels montages de restitution de l'énergie à la source sont bien connus en soi. un circuit 10 de ce genre a été symbolisé en 10 à la figure 2.

Le montage qui vient d'être décrit apporte, en plus de la possibilité de récupérer l'énergie, les avantages suivants:

15 La tension aux bornes de la charge est égale à la différence entre la tension d'alimentation (qui est une tension cont-inue constante) et la tension présente aux bornes de l'inductance 5. Cette dernière tension étant en forme d'arche de sinusolde, à la mise en conduction du transistor, 20 il en est donc de même pour la tension aux bornes de la char-ge qui sera de la forme:
V = VA sin ~ t La valeur maximum de la dérivée de la tension aux bornes de la charge est donc :

dv d max = ~ VA
avec ~ = ~

Pour cette raison, il est possible sans adjonction de maté-riel, de limiter la valeur maximum de la dérivée. Cette pro-priété permet de limiter la pointe de courant dans la diode .

~ ~73106 de récupération connectée en parallèle sur la charge. Dans certaines applications où la charge sera un autre transistor ~cas d'un montage en pont : figure 4~, on réduira également la pointe de courant dans ledit transistor de charge.
Dans d'autres applications, comme on le verra dans la suite tfigure 5), la charge est constituée par un thyristor dont on réduit alors-les riques d'amorçage intempestifs par dV.

10 Si le condensateur réservoir 8 est associé à un circuit auxiliaire q~i maintient constante la tension à ses bornes (ce circuit auxiliaire pouvant être le circuit de récupéra-tion lui-meme), le transistor 1 ne supporte plus que la ten-sion de source augmentee de la tension du condensateur 15 réservoir et ce, quel que soit le courant qui circulait dans l'inductance d'aide à la commutation. Dans le montage connu, où cette inductance était fermée par un circuit diode résis-tance, la tension que subissait le transistor était égale à
la tension de source, augmentée du produit du courant circu-20 lant dans l'inductance par la valeur de la résistance d'aideà la commutation, ce qui pouvait occasionner une surtension dangereuse.

On notera que le fonctionnement du montage aboutit à
25 précharger le condensateur d'aide à la commutation.

En effet, après la phase de mise en conduction, quand Ie transistor 1 est saturé, le condensateur d'aide à la commu-tation se charge à la tension du condensateur réservoir.
' :

,. ; :, ~ 173106 ~insi, le blocage du transistor s'effectue sous une tension préexistante ; ce mo~en permet de réduire notablement le temps de décroissance du courant de collecteur.

5 Le montage muni du circuit d'aide à la commutation décrit permet en définitive de réduire les contraintes subies par le transistor en offrant la possibilité de maltriser parfai-tement les phénomènes de commutation~ Le transistor n'est ]amais le siège d'une tension et d'un courant simultanés. Le 10 montage permet de récupérer la quasi totalité des pertes qui sont habituellement dissipées dans les autres montages et de limiter la valeur dV appliquée à la charge, ce qui est un dt très grand avantage dans les montages en pont. I:l permet encore de limiter la surtension subie par le transistor et 15 alnsi, de réduire les marges de sécurité prises habituelle-ment. Ce type de clrcuit est particulièrement avantageux pour les montages à haute tension ou les transistors fonctionnent en polarisation inverse de base (fonctionne-ment dit en "V C E X"). Il est ainsi possible d'étendre le 20 fonctionnement de certains transistors aux réseaux 380 V
redressés.

A la figure 3, on a représenté une variante du montage de la figure 2, dans laquelle le condensateur d'aide à la commuta-25 tion 7 a est connecté entre le collecteur du transistor 1 etla borne du condensateur réservoir 8 reliée à la source. Le circuit de la figure 3 constitue une amélioration du montage de la figure 2 qui permet ainsi de diminuer le courant cir-culant dans le condensateur réservoir 8.

~: ' .,............. , . :

A la figure 4, on a représenté l'application d'un tel montage à un dispositif comportant plusieurs transistors 11 à 16 montés en pont pour constituer un convertisseur poly-phasé destiné à l'alimentation d'un moteur asynchrone. Les 5 numéros de référence 11 a à 16 a désignent les diodes de récupération associées aux transistors.

Le circuit d'aide à la commutation comprend une seule inductance (respectivement 17, 18) une seule diode 10 trespectivement 19 - 20), un seul condensateur réservoir (respectivement 21 - 22) et un seul circuit de récupération (respectivement 23 - 24) pour chaque groupe de trois transistors, tandis qu'il y a autant de condensateurs d'aide à la commutation (25 à 30) qu'il y a de transistors. Le 15 montage de la Eigure 4 ayant une forme itérative, le nombre de transistors n'est donc pas limitatif et peut etre augmente pour permettre l'application de ce circuit à
l'alimentation d'un moteur pas à pas par une augmentation du nombre de branches des ponts de diode et de transistor. De 20 plus l'entrelacement qui résulte du fonctionnement des transistors fait que le courant dans les inductances peut être quasiment continu. La seule énergie qui soit à
récupérer est celle des condensateurs d'aide à la commutation et de la variation du courant dans la charge, de 25 ce fait le système de récupération d'énergie peut être sous dimensionné.

Le montage représenté à la figure 5 est un montage en pont de thyristors (Thl ~ Th6).

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~ ~73106 Un tel montage peut être destiné à l'alimentation d'un moteur asynchrone M ou d'un moteur synchrone à vitesse variable et comporte un pont de diodes de redressement Dl à
D6 en amont des circuits d~aide à la commutation, des 5 transistors Tl à T2 et des diodes D7 à D12 de récupération.

Ces circuits comprennent chacun une inductance ~Ll, respec-tivement L2) en série avec le transistor et, en parallèle sur celui-ci, une diode (D13, respectivement D14) et un 10 condensateur d'aide à la commutation (C5, respectivement C4~
en série. Entre la borne commune aux diodes Dl, D2, D3 (res-pectivement D4, D5, D6) et le point commun à la diode et au condensateur d'aide à la commutation est connecté un conden-sateur réservoir (Cl, respectivement C3) aux bornes duquel 15 est branché un circuit de récupération de l'énergier tel que décrit plus haut (REl, respectivement RE2). Ces circuits de récupération renvoient l'énergie des condensateurs Cl et C3 à un condensateur réservoir C2. Des résistances Rl et R2 marquées en pointillé permettent d'évacuer les courants de 20 fuite des transistors Tl et T2.

On considérera~, pour expliquer le fonctionnement du dispo-sitif, une configuration où le transistor T2 est cvnducteur et où le courant circule à travers T2, un thyristor du 25 groupe inférieur (par exemple Th4), une phase du moteur (par exemple II - III) et une diode ~par exemple D11). La commande de l'amor~age du transistor Tl, en série avec le thyristor Th2, pour effectuer une commutation, entraine le phénomène suivant : D11 ne se bloquant pas immédiatement, il 30 en résulte un courant de récupération des charges qui sont .~ 17310~
stockées dans la jonction de cette diode Dll, courant qui circule à travers Ll, Tl, Th2 et Dll et un courant de décharge du condensateur C5, qui s'additionne avec le précé~
dent dans Tl et Ll. Ce phénomène est toutefois de très 5 courte durée et n'entraine pas de pertes importantes dans le transistor.

A la fin de ce phénomène de commutation, le courant qui cir-cule dans Ll ne peut s'interrompre brutalement et il doit 10 obligatoirement se refermer. Le courant qui circule dans Ll se referme, à la fin du phénomène de commutation, par D13 et Cl (voie de plus faible impédance que la voie Tl, Th2, D8 et Cl). L'inconvénient d'allonger la durée de la surintensite résultant du phénomène de commutation se trouve ainsi 15 éliminé.
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Pour que le montage de la figure 5 fonctionne dans de bonnes conditions, il faut que Cl et C3 soient choisis très grands devant C2, afin de limiter leur charge due au courant cir-20 culant du moteur à travers les diodes D7 à D12.

Un autre mode de réal1sation des applications peut être obtenu par l'utilisation du schéma de la figure 3 en rempla~
cement du circuit représenté à la figure 2 utilisé pour les 25 montages des circuits des figures 4 et 5.

, Il va de soi que diverses autres applications du dispositif pourront etre imag1nées par l'homme du métier sans sortir du cadre de l'invention.

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Transistor or recuperative thyristor inverter of energy The invention relates to an inverter device with valves which are bridge-mounted and with LEDs recovery also mounted in bridge, this device being of the type in which the midpoints of the bridge of 5 recovery diodes are connected to the corresponding mid-points of the bridge of the inverter.

The object of the present invention is to improve the inverters of the aforementioned type.

According to the invention, such an assembly is characterized in that it includes a switching assistance and recovery circuit tion of energy connected to the transistor inverter or to thyristors.

The operation of power transistors on load inductive, i.e. on the type of load most frequently encountered in assemblies where transistors :
~ have a switching role, subject them to 20 constraints detrimental to assembly efficiency and lifetime of the transistor.

In particular, the transistor suffers switching losses.

ignition and blocking. The first are linked to 25 the occurrence of an overcurrent, seconds to the presence simultaneous of all the voltage across the transistor while it is still ~ crossed by the load current.

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., :

1,173 ~ L06 It is known, to reduce the overcurrent of the ignition, to insert an inductor for switching assistance in series with the load, with a circuit composed of a diode in series with a resistor, connected in parallel to said induct-5 tance, the diode being mounted to be in direct polarization when the transistor is blocked. A disadvantage of this arrangement is that, when the transistor is blocked, the energy stored in the switching aid inductor tion is then dissipated in the resistance.

It is also known to reduce the blocking stress ge, to have, in parallel on the transistor, a circuit composed of a relatively low capacitor and another diode in series. Another resistance is to pre-15 ference connected, either in parallel on said other diode, or in parallel on the two diodes. Said other diode is mounted to be in direct polarization when the transistor crashes. One drawback of this arrangement is that, at the time of initiation, the energy stored in the 20 capacitor is dissipated in said other resistor.

Thus, the known assemblies for switching switching assistance sistors, if they reduce switching losses proper of the transistor, on the other hand generate 25 pextes by dissipation of energge in the resistances they behave. These losses can become large enough aunts to destroy the transistor, when the frequency of switching and / or the supply voltage exceeds some values.

31 ~ 6 The present invention relates to an inverter device with switching assistance and recovery circuit of energy in which these dissipation losses are reduced or deleted.

The device according to the invention comprises, connected to each continuous inputs from a thyristor valve bridge respectively a first series circuit comprising a transistor and an inductor, the other terminal of which is connected to the terminal Respective of the power supply; a second series circuit associated with each first branch circuit in parallel between the point common to the inductance and the transistor of each first circuit and the respective power terminal, said second circuit comprising in series a capacitor reser-15 see and a diode connected by ~ its anode to the point common to the inductor and the transistor and by its cathode to the conden-sator tank and at the respective end of the dio- bridge of; a low voltage - high voltage converter circuit whose inputs are connected to the terminals of the capacitor 20 servoir and whose outputs are connected to the terminals of the : supply circuit; a communication aid capacitor tation associated with each first circuit, one terminal of which is connected to the common point of the transistor and the respec ~ input tive of the thyristor bridge.

In such an arrangement, the switching aid capacitor forms an oscillating circuit with the inductance when the transistor and, in a second step, the current which circulates milk in the inductor comes to charge the capacitor 30 see to which the energy is thus restored. Similarly, blocking of the transistor, the current which circulated in the con-: - 3 -~ ~ 73106 switching aid densifier, through inductance switching aid charges the capacitor see.

5 According to a feature of the invention, the energy thus stored in the reservoir capacitor is returned to the source by means of a low voltage converter assembly -high tension.

10 Other particularities, as well as the advantages of the invention tion will be clear from the description below after.

In the attached drawing:

Figures 1 and 2 are block diagrams of a dispo ~
switching aid and energy recovery usable in a converter-inverter according to the invention.
'' FIG. 3 represents a variant of an aid device switching and energy recovery also ~ ~ usable in a converter-inverter according to the invention.
::
.
Figure 4 shows a polyphase converter with transist 25 tors applying the device of the invention, and The fi ~ ure 5 represents an alternating voltage generator thyristor variable applying the ~ the invention.
The assembly shown in Figure l includes a transistor of pu ~ issance l, ~ or more transistors ~ mounted in parallel-èle, intended ~ to supply an inductlYe load with ~::
~ - 4 -O ~ 3 ~ 06 which it is connected in series and operates in commun tation. The load includes an inductive component 2, a resistive component 3 and possibly a force electro-motor. A recovery diode 4 is, so 5 known per se, connected in parallel to the load of so as to be polarized in the opposite direction when the transis-tor is conductive. The load can be connected either ment to the emitter (case of the figure) or to the collector of the transistor.

When the transistor is made conductive by application to its base a control voltage by means not figured, the current delivered by the source crosses the whole ble load-transistor and returns to the source. When the 15 transistor is blocked (by the same means there the current issued by the source is abruptly stopped and the current flowing through inductive component 2 closes by diode 4.

20 This phenomenon of conduction and blocking is repeated at the frequency f determined by the control means and results in so-called switching losses (loss of duction in the transistor being comparatively neglected bles) which can become significant enough to 25 to destroy the transistor.

: Switching losses when switching on sistor are related to the presence of an overcurrent during the recovery time of the charges stored in the rod-30 tion of the recovery diode. It is known to reduce . .
-.

. .

~ ~ 73 ~ 0 ~
this overcurrent by inserting, in series with the load, a small switching aid choke, on which is connected in parallel a circuit comprising a diode in series with a resistor, the diode being connected from 5 so as to be in direct polarization when the transistor is blocked.

The switching losses on blocking of the transistor are linked to an increase in collector-emitter voltage 10 while 1 ~ inductive component of the load tends to keep the current in the transistor constant. He is known to reduce this tension by arranging, in parallel on the transistor, a circuit composed of a capacitor and a diode connected in series. Preferably, resistance is 15 connected in parallel on the diode, which is mounted fa, con to be conductive when the transistor is blocked.

With these switching assistance circuits, the losses in the transistor are greatly diminished. In return, it 20 appears losses in the resistances associated with The inductor and the switching aid capacitor. These losses are:

for inductance: PL = 2 LI xf for the capacitor: Pc = 2 C.V2 xf We see a limitation appearing to the increase in power P = VI available at the load terminals and at 30 that of the operating frequency. Indeed, fast-~ ~ 73 ~ 06 ment, the Pc and PL losses become significant and on the one hand, cause dissipation problems and, on the other hand, a deterioration in yield.

S The device whose description follows makes it possible to reduce the number of components used for assistance circuits switching and above all to authorize the recovery of losses. With this means, the losses are insignificant and, from this fact, the power of the device can be very strongly 10 increased, as well as the operating frequency and yield is significantly improved.

In the switching assistance circuit of Figure 1, inductance 5 is connected by one of its ends to a 15 terminal of transistor 1 (this terminal can be indifferently collector or emitter). At this common point is finds a terminal on diode 6 connected.

The other terminal of the diode 6 is connected to a terminal of the 20 switching aid densifier 7 and one terminal of a con-tank densifier 8, having a value much higher than that of the switching aid capacitor. This condensa-tank reservoir could for example be an electric capacitor low voltage trochemical capacitance such as its charge 25 remains substantially constant during operation of the mounting. For example, for a capacity of 1 ~ F of switching aid capacitor, capacitor 8 may have a capacity of 1000 ~ F. The other terminal of the con-switching aid densifier is connected to each other 30 terminal of the transistor, and the other terminal of the capacitor .

`~

t ~ 7310 ~
see is connected to the free terminal of the aid inductance to switching.

Diode 6 is connected so that the circuit 5 consisting of said diode and the reservoir capacitor either reverse bias when the transistor is conductive.

We see that the switching assistance device which comes to be described differs from known devices by the fact 10 that the diode and the resistance associated with the inductance switching aid are replaced by a capacitor tank. Its operation is as follows:
conduction of the transistor, the circuit formed by the condensa-aid for switching in series with the capacitor 15 tank is found, via the transistor, con-connected in parallel to the switching aid inductor.
All of the capacitors 7 and 8 connected in series is equivalent to slow to lower value capacitor 7. So the con-meter 7 and inductor 8 form an oscillating circuit.
20 The current that arises in this oscillating circuit has a sinusoidal appearance. At the time of conduction of the transistor, this current ~ is zero; 11 is maximum at the instant corresponding to a quarter of the period of the circuit oscillating. At the same time, the capacitor voltage is 25 void. It is the same for the voltage across inductance. ~ The next instant, the tension present in the inductance tends to reverse, causing the closing of the diode. The current flowing in the inductor then charges the reservoir capacitor.

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, ~ 1? 73106 When the transistor turns off, the current flowing through it is derived, via the diode, in the conden-switching aid sator and, when the voltage collects the emitter will have reached the source voltage, the 5 current flowing in the inductor will come again charge the reservoir capacitor.

This arrangement therefore makes it possible to transfer the energy of the condensa-switching aid in the inductance of the switching aid 10 switching, this energy then being transferred into the reservoir capacitor. The same goes for energy stored in the switching aid inductor (this energy being due to the current passing through the load).

15 Thus doncl energies:
1 L I2 and 12 C VA

(I being the current in the load, VA the supply voltage tation, L and C the values of inductance and condensa-20 switching aid tor) are stored as voltage in the tank capacitor. The voltage Vr across its terminals will therefore such as :

Vr2 = 1 ~ L: E: 2. + CVA) (Cr being the value of the reservoir capacitor).

~ 1 ~ 3 ~ 06 Depending on the energy thus stored, it will be possible, either to dissipate it in a resistor 9 connected in parallel on the tank capacitor, either to recover this energy to return it to the source. To this end, the 5 resistor 9 will then be replaced, for example, by a step-up transformer operating at high fre ~ uence, or by an assembly using a high transistor voltage and inductance. Such restitution arrangements energy from the source are well known per se. a circuit 10 of this kind has been symbolized at 10 in Figure 2.

The assembly which has just been described brings, in addition to the possibility of recovering energy, the following advantages:

15 The voltage across the load is equal to the difference between the supply voltage (which is a cont-constant) and the voltage present across inductance 5. This last voltage being in form sinusoid arch, when the transistor is turned on, 20 so it is the same for the voltage across the terminals of the ge which will be of the form:
V = VA sin ~ t The maximum value of the derivative of the voltage across the the charge is therefore:

dv d max = ~ VA
with ~ = ~

For this reason it is possible without the addition of material.
riel, to limit the maximum value of the derivative. This pro-priety limits the current peak in the diode .

~ ~ 73106 recovery connected in parallel on the load. In some applications where the load will be another transistor ~ case of a bridge mounting: Figure 4 ~, we will also reduce the current peak in said load transistor.
In other applications, as will be seen below tfigure 5), the load is constituted by a thyristor whose we then reduce the risk of untimely initiation by dV.

10 If the reservoir capacitor 8 is associated with a circuit auxiliary q ~ i keeps the voltage across its terminals constant (this auxiliary circuit can be the recovery circuit itself), transistor 1 now only supports the voltage source sion increased by capacitor voltage 15 regardless of the current flowing in the tank.
switching aid inductance. In the known assembly, where this inductance was closed by a resistive diode circuit tance, the voltage undergone by the transistor was equal to the source voltage, increased by the product of the circulating current 20 lant in the inductance by the value of the switching aid resistance, which could cause an overvoltage dangerous.

Note that the operation of the assembly results in 25 preload the switching aid capacitor.

Indeed, after the conduction phase, when Ie transistor 1 is saturated, the communication aid capacitor tation charges at the reservoir capacitor voltage.
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,. ; :, ~ 173106 ~ insi, the transistor is blocked under a voltage preexisting; this mo ~ significantly reduces the collector current decay time.

5 The assembly with the switching assistance circuit described ultimately reduces the stresses experienced by the transistor by offering the possibility of perfect mastering switching phenomena ~ The transistor is ] am the seat of simultaneous voltage and current. The 10 assembly makes it possible to recover almost all of the losses which are usually dissipated in other montages and limit the value dV applied to the load, which is a dt very great advantage in bridge installations. I: l allows still to limit the overvoltage suffered by the transistor and 15 alnsi, to reduce the usual safety margins taken-is lying. This type of product is particularly advantageous for high voltage circuits or transistors operate in basic reverse polarization (operate ment says in "VCEX"). It is thus possible to extend the 20 operation of certain transistors in 380 V networks straightened.

In Figure 3, a variant of the mounting of the Figure 2, in which the switching aid capacitor 25 tion 7 a is connected between the collector of transistor 1 and the terminal of the reservoir capacitor 8 connected to the source. The circuit of figure 3 constitutes an improvement of the assembly of Figure 2 which thus reduces the circulating current bottoming in the tank capacitor 8.

~: ' ., .............,. :

In Figure 4, there is shown the application of such mounting to a device comprising several transistors 11 16 bridged to form a poly-phased for the supply of an asynchronous motor. The 5 reference numbers 11 a to 16 a designate the LEDs recovery associated with transistors.

The switching assistance circuit includes a single inductance (respectively 17, 18) a single diode 10 respectively 19 - 20), a single reservoir capacitor (respectively 21 - 22) and a single recovery circuit (respectively 23 - 24) for each group of three transistors, while there are as many assist capacitors when switching (25 to 30) there are transistors. The 15 assembly of Eigure 4 having an iterative form, the number of transistors is therefore not limiting and may be increases to allow the application of this circuit to feeding a stepping motor by increasing the number of branches of the diode and transistor bridges. Of 20 plus the interlacing that results from the operation of transistors does that the current in the inductors can be almost continuous. The only energy there is recover is that of the aid capacitors switching and variation of the current in the load, 25 this fact the energy recovery system may be under sized.

The assembly shown in Figure 5 is a bridge assembly thyristors (Thl ~ Th6).

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.

~ ~ 73106 Such an assembly can be intended for supplying a asynchronous motor M or a synchronous speed motor variable and includes a rectifier diode bridge Dl to D6 upstream of the switching assistance circuits, 5 transistors Tl to T2 and recovery diodes D7 to D12.

These circuits each include an inductance ~ L1, respec-tively L2) in series with the transistor and, in parallel a diode (D13, respectively D14) and a 10 switching aid capacitor (C5, respectively C4 ~
serial. Between the terminal common to the diodes Dl, D2, D3 (res-pectively D4, D5, D6) and the point common to the diode and switching aid capacitor is connected a sator reservoir (Cl, respectively C3) at the terminals of which 15 is connected an energy recovery circuit such as described above (REl, RE2 respectively). These circuits of recovery return the energy of capacitors Cl and C3 to a reservoir capacitor C2. Resistors Rl and R2 marked with dotted lines allow the currents of 20 leakage of transistors T1 and T2.

We will consider ~, to explain the functioning of the dispo-sitive, a configuration where the transistor T2 is conducting and where the current flows through T2, a thyristor of the 25 lower group (for example Th4), a motor phase (for example II - III) and a diode ~ for example D11). The control of the amor ~ age of the transistor Tl, in series with the thyristor Th2, to switch, causes the following phenomenon: D11 does not lock immediately, it 30 results in a recovery current of the charges which are . ~ 17310 ~
stored in the junction of this diode Dll, current which flows through Ll, Tl, Th2 and Dll and a current of discharge of capacitor C5, which adds up to the above ~
tooth in Tl and Ll. This phenomenon is, however, very 5 short term and does not cause significant losses in the transistor.

At the end of this switching phenomenon, the current which circulates cule in Ll cannot be abruptly stopped and he must 10 must close. The current flowing in Ll closes, at the end of the switching phenomenon, by D13 and Cl (channel of lower impedance than channel Tl, Th2, D8 and Cl). The downside of extending the duration of the overcurrent resulting from the switching phenomenon is found as well 15 eliminated.
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So that the assembly of figure 5 works in good conditions, Cl and C3 must be chosen very large in front of C2, in order to limit their charge due to the circulating current 20 driving the motor through the diodes D7 to D12.

Another embodiment of the applications can be obtained by the use of the diagram of FIG. 3 to replace it ~
cement of the circuit represented in figure 2 used for the 25 circuit assemblies in Figures 4 and 5.

, It goes without saying that various other applications of the device could be imagined by the skilled person without leaving the part of the invention.

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Claims

Patent claims

1- DC-inverter converter device intended to convert a DC voltage produced between two terminals of a power supply, at an alternating voltage applied to the load, by means of a valve bridge controlled gods, whose extreme points receive direct tension of food and whose midpoints are connected to load terminals, this device comprising a bridge recovery diodes intended to ensure the return to the inductive energy source of the load when the valves are closed and whose midpoints are connected to midpoints of the valve bridge, characterized in that the circuits connecting the terminals of the power supply across the load and passing through the valve bridge includes two assistance circuits switching and energy recovery each comprising at least one transistor connected, by its emitter or its collector to a switching aid inductor and, in parallel with this inductor, a diode in series with a storage capacitor whose terminals are connected to high voltage / low voltage converter inputs connected by its outputs to the power supply terminals, and a switching assistance circuit mounted between the transmitter and the collector of said transistor, this circuit comprising in series a switching aid capacitor and said diode, of so that when the transitor gets blocked, the energy of the switching aid ductance is transferred to the con-storage intensifier and is then returned to the feed-tion by said low voltage - high voltage conveyor.

2- Inverter device according to claim 1, characterized in that the switching assistance circuit and energy recovery includes:
- connected to each of the continuous inputs of a valve bridge thyristor respectively a first series circuit, compre-nant a transistor and an inductance, whose other terminal is connected to the respective terminal of the power supply.
- a second series circuit associated with each first circuit connected in parallel between the point common to the inductor and to the transistor of each first circuit and the terminal respective supply circuit, said second circuit comprises providing a reservoir capacitor and a connected diode in series by its anode in common with the inductance and the transis-tor and by its cathode to the reservoir capacitor and to the respective end of the diode bridge.
a low voltage to high voltage converter circuit including the inputs are connected to the terminals of the capacitor see and whose outputs are connected to the terminals of the circuit power supply.
- a switching aid capacitor associated with each first circuit, one terminal of which is connected to the point common to transistor and at the respective input of the thyristor bridge.

3- Inverter device according to claim 2, characterized in that the other terminal of each capacitor switching aid is connected to the common point at the diode and to the respective reservoir capacitor of the second circuit.

4- Inverter device according to claim 1, characterized in that the switching assistance circuit and energy recovery includes:

- associated with each input of a transistor valve bridge a first circuit connecting the inputs of the transist bridge twist at the respective inputs of the diode bridge, said first circuit comprising in parallel on an inductor, a reservoir capacitor and a diode, the anode of which is connected to the respective input of the transistor bridge and of which the cathode is connected to the capacitor.
- a low voltage to high voltage converter circuit associated with each respective first circuit and whose inputs are connected in parallel on the capacitor tank and whose outputs are connected to the terminals of the power supply.
- associated with each half-branch of the transistor bridge a switching aid capacitor connected to the midpoint respective of each half-branch.

5- Inverter device according to claim 4, characterized in that the second terminal of each condensa-aid for switching half a branch of a bridge is connected to the common point of the diode and the capacitor tank associated with this half-bridge.