High voltage fast switches made by semiconductor components in series for high energy converters
Interrupteurs rapide haute tension réalisés par mise en série de composants semi-conducteurs pour convertisseurs de forte énergie
Résumé
The main problem you may have when designing switches made of several elements connected in series is the bad distribution of voltages and currents through the components during the switching and static phases. This is mainly due to the components themselves, to their operating control and to the connections ( delays, differences in speeds, parasitic capacitances on each stage, distribution of the saturation currents through each serial connected component, leakage currents ... ) . Unbalances can be decreased thanks to synchronous controls using pulse transformers, which are perfectly suitable for controlling numerous serial connected elements. Decreasing parasitic capacitances towards the earth, which create an unbalanced distribution of the power current through the serial connected devices, is also desirable. Beside this technological aspect, an active clamping using a feedback from the power side to the control side is the best solution for MOSFETs and IGBTs. Since the studied "switching modules" have to withstand high voltage and very little switching speeds, electrical noise on measurement and control devices, partial discharges and the perfect matching of active and passive components to high voltage must be carefully examined. A conceptual study of "switching functions" led us to keep in mind that we could use modular units connected in series. Their advantage consists in improving the cost and delay of maintenance. For instance, a 15000V/2A and a 30000V/600 A switches have been built. Those experimental works definitely brought us to consider conceiving fast high voltage switches
made of several one kilovolt nominal voltage components.
La principale difficulté que l'on rencontre lors de la réalisation de montages série est la répartition hétérogène des tensions et des courants lors des commutations et des phases statiques. Ses origines se trouvent au niveau des composants, de leur commande et du câblage (retards, différences de vitesse, capacités parasites réparties au niveau de chaque étage, dispersion des tensions de saturation de chacun des composants en série, courants de fuite .. . ). Les déséquilibres peuvent être atténués par les commandes de type synchrone à base de transformateurs d'impulsions, particulièrement adaptées pour un grand nombre d'éléments en série. Une diminution des capacités parasites par rapport à la terre, responsables des hétérogénéités du courant de puissance dans chacun des composants en série, est également souhaitable. De manière complémentaire au choix de la technologie de réalisation, un écrêtage actif en utilisant la contre réaction puissance/commande est la solution la plus intéressante pour les MOSFETS et les IGBTS. Parce que les fonctions « commutation» étudiées sont soumises à de fortes tensions et à de très petites vitesses de commutation, une attention particulière doit être portée aux perturbations de la mesure et des commandes, aux décharges partielles et à l'adaptation des composants passifs au domaine contraignant de la haute tension. Une étude conceptuelle des fonctions «commutation» nous a amené à retenir l'idée d'unités modulaires pouvant être connectées en série. Leur avantage est d'optimiser le prix et la rapidité du dépannage. Des commutateurs 15000V/2A et 30000V/600A ont été réalisés à titre d' exemple. L'ensemble de ces travaux permet d'envisager la réalisation de fonctions « interrupteur » rapides en haute tension à pa1iir de composants ayant une tenue en tension nominale de l'ordre du kilovolt.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)