Brevet FR2184795A1 — publié le 19731228

Cette invention se rapporte d'une manière générale aux commutateurs commandés par une électrode de commande et, en particulier, aux circuits destinés à amorcer et à bloquer des commu- tateurs à semi-conducteurs du type thyristor, dans le but d'obtenir de faibles pertes de commutation et des temps de commutation ultra-courts. Les thyristors, parfois appelés redresseurs commandés, sont bien connus comme commutateurs i semi-conducteurs, et utilisés dans de nombreuses applications telles que des onduleurs, dans lesquels la rapidité du fonctionnoient est importante car elle détermine la fréquence du signal de sortie.Une méthode courante pour bloquer un thyristor qui a été placé dans son état conducteur, consiste à utiliser une tension inverse fournie par l'inversion résonnante d'une tension aux bornes du condensateur d'un circuit RI. Grace à cette technique, l'anode du thyristor con- ducteur peut être rendue positive de façon à retrouver son état de blocage direct après un certain délai qui, pour les dispositifs commercialement disponibles, est dans la gamme des 10 i 40 microsecondes. Le mécanisme physique par lequel un thyristor retrouve ses possibilités de blocage direct, est essentiellement un processus de recombinaison. 4prFs la conduction directe d'un thyristor, il existe des porteurs emmagasinés dans la région de base du dispositif correspondant au: régions internes de la structure normale i Quatre couches. L'application d'une tension inverse sur le thy ristor, aabne le courant direct i zéro, mais emprisonn les por teurs à l'intérieur des régions de base.Pendant que les porteurs sont emprisonnés, le dispositif ne présente pas encore ses possibilités de blocage direct. Au bout d'un temps déterminé par la géométrie et le niveau de dopage dans les régions de base, les porteurs vont se combiner avec des porteurs de signes opposés. linsi, cette durée de vie des porteurs, ou temps de recombinaison, constitue la principale limitation dans la voie de la réduction du temps de blocage du dispositif. quelques porteurs captés peuvent également être éliminés par le balayage dû au flux de courant inverse. Les thyristors sont munis d'une borne de commande sur laquel le des signaux sont appliqués pour amorcer la conduction. Pour de nombreux thyristors classiques, l'application d'un signal de po Parité inverse sur cette borne ne provoque pas le blocage du dispositif en raison des charges emnagasinées dans la région de base éloignée de ladite borne. On connaît cependant une classe de thyristors dans lesquels la géométrie et les niveau: de dopage sont tels que l'application d'un signal de commande inverse est efficace pour produire le blocage ou au moins pour l'accélérer. Un exemple d'un tel dispositif a été décrit dans le brevet E.U 3 513 3670 De tels thyristors sont habituellement appelés thyristors à blocage assisté par la grille de commande, ou commutateuri à commande de grille. La première appellation sera utilisée dans cette description. Dans le dispositif à blocage assisté par la grille, la grille peut être utilisée pour extraire du courant du dispositif, afin d'amener une réduction du courant d'anode jusqu'i zéro lors du blocage. Dans ce mode, la récupération du blocage direct se produit alors que la tension d'anode est présente, de telle sorte que l'arrêt du courant provoque une montée de la tension d'anode des dispositifs. La présence simultanée du courant, PPêae décroissant, et d'une tension accrue aux bornes du dispositif, amène une dissipation de puissance supérieure qui peut endomma- ger le dispositif.Ce problème s'aggrave dans les circuits à charges inductives dans lesquelles l'énergie emmagasinée provoque des taux d'accroissement très importants de la tension d'a node. Dans le but de réduire la vitesse d'accroissement de la tension d'anode durant le blocage d'un thyristor à blocage assisté, on sait qu'on peut utiliser des dispositifs de stockage d'énergie, comprenant des condensateurs destinés à limiter la tension d'anode. De tels condensateurs sont relativement encombrants et leur utilisation Sest pas souhaitable. Une difficulté supplémentaire vient du fait que durant certains moments du fonctionnement normal d'un thyristor, la tension d'anode possède une valeur négative non négligeable. Lorsqu'un signal de grille négatif est appliqué, une telle tension d'anode négative empêchera la grille d'extraire les por teurs du dispositif0 Ceci se produit durant le fonctionnement de certains circuits du type thyristor auto-commutantO Une impul sion de courant circule dans le dispositif lorsqu'il est conduc teur, et une inversion de la tensior aux bornes du dispositif se produit près du point pour lequel le courant d'anode passe par zéroe Si un signal négatif est appliqué sur la grille du dispo sitif å cet instant, il est souhaitable que le courant puisse être extrait de la région de base accessible et, par suite, ac célèbre le blocage.Dans la pratique actuelle, l'anode du dispo sitif se trouve à un potentiel négatif important et en fait supérieur au signal de grille souhaité. Durant la période de temps pendant laquelle la tension d'anode est négative, la grille ne peut pas extraire de porteurs à partir de l'anode. les porteurs doivent être extraits à partir de l'alimentation de l'anode par la borne de grille pour accélérer le récouvrement de la jonction bloquée en direct. Ainsi, une certaine période de temps est requise pour que l'anode puisse atteindre une tension de polarité positive, comme il advient normalement dans l'auto-commutation. La grille peut alors extraire des porteurs de la jonction directe non recouvrée0 L'expression "temps de blocage" est utilisée pour désigner la période de temps nécessaire au dispositif pour récupérer, afin de permettre après l'annulation du courant, une nouvelle application de la tension sans provoquer de conduction0 Bien que cette durée soit brève, si la source du courant de recouvrement direct est la source de tension réappliquée, des problêmes de dissipation se présentent alors et peuvent être dan gereux pour le dispositif. Ces effets limitent la fréquence à laquelle le dispositif peut fonctionner en prescrivant un délai au bout duquel on a à la fois la possibilité d'un nouvel amorçage et une dissipation à un niveau acceptable. Les considérations de puissance dissipée lors du blocage d'un thyristor, doivent inclure à la fois la dissipation du recouvrement inverse et la dissipation de recouvrement directe La dissipation de recouvrement inverse est celle qui résulte du courant avec anode négative, qui a été discutée plus haut. La dissipation de recouvrement directe résulte du courant direct. Jusqu'à maintenant, les deux types de dissipation ont été excessifs et n'ont jamais été améliorés par des modifications du disposai tif. La présente invention constitue une voie pour supprimer les dits inconvénients des interrupteurs à commande de grille, comme les thyristors et, particulièrement, les thyristors à blocage assisté par la grille, lors de leur blocage L'invention réside dans -an dispositif à blocage assisté par grille, destiné à un commutateur à semi-conducteur à commande de grille, et comprenant la combinaison des éléments suivants : une source de tension alimentant une charge; un commutateur à semiconducteur à commande de grille présentant une paire de bornes principales connectées en montage série avec la source et la charge, et présentant également une borne de grille; des moyens pour appliquer sélectivement sur la borne de grille un signal de commande d'une première polarité afin d'amorcer ledit dispo sitif commutateur et un signal de commande d'une seconde polarité, afin d'aider le blocage dudit dispositif de commutation et un dispositif à conduction unidirectionnelle connecté entre la paire de bornes principales dudit dispositif de commutation, en combinaison parallèle inverse, grâce à quoi le temps de blocage du dispositif de commutation à commande de grille se trouve réduite D'une manière convenable, le dispositif commutateur à semi-conducteur selon l'invention utilise un thyristor dont l'anode et la cathode sont connectées aux dites bornes principales qui possède une région de grille adjacente à ladite cathode, ladite borne de grille étant disposée sur cette région de grille; ledit dispositif à conduction unidirectionnelle peut être cons titué par une diode possédant une anode et une cathode connectées respectivement à la cathode et à l'anode dudit thyristor. Grâce l'expédient relativement simple de la connexion aux bornes du thyristor d'une diode qui n'a pas besoin de pré senter des caractéristiques de puissance élevées, on créée une dérivation évitant la production d'une tension d'anode inverse qui pourrait provoquer une dissipation élevée A la fin de l'impulsion de conduction dans le sens direct du dispositif, aucune tension inverse n'apparaît aux bornes du dispositif.Si un po tentiel négatif est alors appliqué à la grille du dispositif lorsque le courant direct s'annule, un courant de recouvrement direct peut être extrait à partir de la masse, à travers la diode proposée par cette invention, vers l'anode du thyristor, qui sort par la grille et retourne à la masse.Durant cette période, la tension d'anode est nulle et la dissipation provient uniquement de la tension employée pour générer le courant extrait et le courant de recouvrement direct.Un recouvrement complet est par suite obtenu dans ce dispositif en un temps de 1 microseconde. Con- me la diode auxiliaire proposée par l'invention peut être petite, on peut choisir une diode ayant un temps de recouvrement faible, et qui n'a pas d'influence directe sur le temps de recouvrement global du dispositif. Les dissipations de recouvrement en direct et en inverse sont minimisées par l'utilisation de cette inven- tion0 ;'invention peut de plus, inclure avantageusement un deu xièie dispositif unidirectionnel connecté en série avec le thyristor et la charge. Le deuxième dispositif unidirectionnel peut hêtre une diode connectée en série avec le thyristor dans le circuit de charge.La deuxième diode constitue un élément de bloc a ge inverse en série avec le thyristor, qui réduit la chute de tension inverse aux bornes de ce thyristor. Des diodes ont dêj & été utilisées précédemment, en associa- tion avec des thyristors conventiotn^ls, et ce n'est pas exactement la connexion d'une diode en parallèle et en inverse aux bornes d'un thyristor qui constitue l'invention. Dans le passé, une telle diode a été utilise pour limiter la tension inverse des circuits dans lesquels le blocage est réalisé d'une manière con ventionnelle. Danse cas, un effet annexe de la diode est d'allonger plut8t que de raccourcir le temps de blocage.Dans la présente invention, la diode en parallèle est utilisée dans un dispositif à blocage assisté par grille possédant un thyristor à blocage assisté par grille et des moyens permettant d'appliquer un signal de blocage inverse sur la grille du thyristor, et il n'est pas connu qu'une telle combinaison ait été précédemment proposée ou utilisée. L'invention va maintenant être expliquée à titre d'exemple, grâce à la description suivante qui doit hêtre lue conjointement avec les dessins accompagnatifs, et dans lesquels - la figure 1 est un diagramme de circuit d'une réalisation de la présente invention ; et, - les figures 2 et 3 sont des ensembles de formes de signaux illustrant le. fonctionnement respectivement sans et avec l'utilisation de la présente invention. En se référant à la figure 1, on voit un circuit qui peut être une portion d'un dispositif de commutation à thyristor. Une alimentation de puissance continue 10 est connectée en série avec une charge 12 et un dispositif de commutation à semi-conducteur 14 du type thyristor.On suppose que la charge 12 présente des composants résistifs et inductif respectivement 15 et 16, comme c'est le cas usuel. Le thyristor 14 possède des bornes d'anode et de cathode, respectivement 17 et 18, connectées dans le circuit de charge, ainsi qu'une borne de grille 20, placée sur une région adjacente à la région qui reçoit la borne de cathode. La borne de grille ou de commande 20 est connectée sur un circuit de commande de grille 22 qui comprend des moyens, conte ceux représentés par les sources de tensions continues addition Molles 23 et 24 et le commutateur 26, destinés à appliquer une tension de l'une et l'autre polarité sur la borne de grille. D'aprés ce schéma, uns tension directe, c'est-i-dire positive est appliquée à la borne de grille à partir de la source 23 dans le but de dFbloquJr le dispositif 14, et une tension négative venant de la source 24 est destinée à extraire des porteurs, pour obte nir le blocage. Dans ce but, le thyristor 14 est un thyristor à blocage assisté par la grille. Un condensateur 11 est connecté en parallèle sur 1' alimenta- tion 10 et en parallèle sur l'ensemble thyristor 14 et charge 12, de façon à constituer un dispositif résonnant auto-commutant 28, conformément à une pratique connue0 La source 10 comporte une alimentation de puissance et des circuits associés destinés à charger la capacité Il de la manière souhaitée, déjà utilise dans les dispositifs de commutation à thyristors. le circuit de commande de grille 22 doit normalement être réalisé avec des composants, non représentés, pour obtenir un fonctionnement dont le déroulement est défini par la charge et la décharge du condensa teur 11, afin d'appliquer les signaux de grille lorsque le courant passe par la valeur zéros La présente invention incorpore un dispositif unidirectionnel, tel qu'une diode semi-conductrice 30, placé entre l'anode 17 et la cathode 18 du thyristor 14 à blocage assisté par la grille. La diode 30 est montée en combinaison anti-parallèle avec le thyristor 14. Un dispositif conducteur unidirectionnel additionnel, 32, par exemple une autre diode semi-conductrice, est connecté en série avec le thyristor 14 dans le circuit de charge0 La cathode de la diode 32 est reliée à la borne d'anode 17 du thyristor 14. i cours du fonctionnement, le rôle principal de la première diode 30, est de constituer une dérivation pour 1' élimination de la tension sur la borne d'anode 17, durant le blocage, alors que le rôle de la deuxième diode 32 est d'interposer un élément de blocage inverse, en série avec le thyristor 14, ce qui réduit la chute de tension inverse aux bornes de ce thyristor. La diode 32 est généralement bénéfique, mais contrairement à la diode 30, elle n'est pas nécessairement utilisée dans tous les case Le fonctionnement du circuit de la figure 1 sera mieux compris en se référant aux formes de signaux des figures 2 et 30 La figure 2 représente le fonctionnement d'un circuit comme celui de la figure 1 mais sans aucune des diodes 30 et 32.Le signal Â montre le courant circulant à travers la borne d'anode du thyristor. agrès un temps t, une demi-période positive prend fin et le blocage est assisté par l'application d'une tension de grille négative (signal c) d'une valeur typique d'environ - 15 volts. Le courant d'anode pr*sente une excursion négative commençant à l'instant t, suivie très rapidement d'une tension d'anode négative (signal B) durant laquelle une dissipation appréciable peut intervenir. La tension d'anode devient de moins en moins négative durant l'intervalle de temps toff jusqu'8 atteindre le zéro. Le courant d'anode présente alors une excursion positive (courant de recouvrement de jonction directe) durant laquelle la tension d'anode est de plus en plus positive, ce qui apporte une nouvelle dissipation de puissancee Les signaux de la figure 2 doivent etre comparés aux signaux correspondants de la figure 3 qui représentent le fonctionnement du circuit représenté sur la figure I mais avec les diodes 30 et 32o Â la fin de l'impulsion de courant direct, il existe seulement une faible tension inverse aux bornes du dispositif comme le montre le signal B de la figure 30 k cet instant, t, une tension négative (signal a) est appliquée sur la grille 20 par les moyens de commande de grille 22, et un courant de recouvrement de jonction direct (signal A) est extrait de la ligne de référence de potentiel 34 (qui peut être relié à la masse) par la diode 30, l'anode 17 du thyristor 14 et par la grille 200 La tension d'anode durant cette période reste faible OLa dissipation provient uniquement de la tension du circuit de commande de grille (source 24) et du courant de recouvrement direct, ce qui est tolérable0 Comme la tension d'anode est maintenue au voisinage de zéro, l'efficacité de la commande est maximale et la dissipation est minimale. Environ une microseconde après le recouvrement des possibilités de blocage direct, la tension peut être réappliquée avec unie très faible dissipation transitoire, qui n'a pas été représentée. après le recouvrement du blocage direct, une petite pointe de courant circule à travers la jonction recouvrée, et une courte période de temps, par exemple une micro-seconde, est allouée pour sa disparition, avant la rap- plication de la tension. Ainsi, un recouvrement complet est obtenu en deux microsecondes avec une faible dissipation. L'invention a été réalisée et expérimentée en fonctionnement avec différents types de thyristors et a montré des temps de recouvrement d'environ 1,0 microseconde qui, lorsque l'on alloue une microseconde pour la disparition de la pointe de courant, conduit dans un cas pratique au temps de recouvrement raisonnable de 2 micro sec ondes0 Oette performance autorise un fonctionnement à des fréquences situées dans la gamme des 25 à 100 kEz, ce qui est au-dessus de la limite de fonctionnement classique des dispositifs à blocage assisté n'incorporant pas l'invention. Dans les circuits réalisés et fonctionnant selon la présente invention, les composants sont choisis en fonction de la fréquence désirée. La diode 30, par exemple, est un composant présentant un temps de recouvrement modéré, et par exemple inférieur à 2 micro-secondes, et la diode 30 doit présenter un recouvrement rapide, par exemple inférieur à 500 nanose- condés. RVEND i aÂ IONS lo- Dispositif à blocage assisté par la grille, destiné à un commutateur à semi-conducteurs à commande de grille, caractérisé en ce qu'il comprend la combinaison des éléments suivants : une source de tension alimentant une charge; un commutateur à semi-conducteurs à commande de grille présentant une paire de bornes principales, connecté selon un montage série avec ladite source et ladite charge, et présentant également une borne de grille; des moyens destinés à appliquer sélectivement sur cette borne un signal de commande d'une première po larité, afin d'amorcer ledit dispositif commutateur et un signal de commande d'uns deuxième polarité, destiné à aider le blocage dudit dispositif de commutation; et un dispositif à conduction uni-directionnelle connecté entre la paire de bornes principales dudit dispositif de commutation, suivant une combinaison parallble-inverse, grâce à quoi le temps de blocage du dispositif de commutation à commande de grille se trouve réduit0 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif commutateur à semi-conducteur comprend un thyristor possédant une anode et une cathode connectées aux dites bornes principales et possédant une région de porte adjacente à ladite cathode, ladite borne de porte étant reliée à la région de porte, et en ce que ledit dispositif conducteur uni-directionnel comprend une diode possédant une anode et une cathode connectées respectivement à la cathode et à l'anode dudit thyristor. 3.- Dispositif selon la revendication 1, comprenant de plus un deuxième dispositif à conduction uni-directionnelle connecté en série avec ledit transistor et ladite charge.