Brevet FR2301864A1 — publié le 19760917

La presente -n:vention à trait au montage en-parallèle d'éléments semiconi- weteurs de puissance. Jusqu1à présent la mise en.parallèle d'éléments semiconducteurs de puissance dans des~systèmes- à forte pu.issance n'a pu s'effectuer dans des conditions satisfaisantes. On a essayé de remédier à cette difficulté en insérant des résistances dans. les émetteurs des éléments semiconducteurs, dont le rôle était de permettre une compensation tendant à un meilleur équilibrage des éléments mis en parallèle. Toutefois, la compensation s'améliorant avec la possibilité d'augmenter les valeurs des résistances, il en résultait une obligation de déclasser en puissance les éléments semiconducteurs pour tenir compte du défaut~d'-apairage, en particulier celui concernant leur gain 'en courant ( > qui en pratique n'est -pas le même pour deux éléments d'une meme série. L'objet de 11 invention est de proposer un remède à ces difficultes et donc de définir des moyens permettant de neutraliser ce défaut d'apairage qui n'a pastencore reçu de solution technologique. Suivant l'invention, on introduit dans le circuit de base de l'élément semiconducteur de paissance, un amplificateur opérationnel auquel est appliquée la tension de commande -et. on réalise autour de cet amplificateur une boucle de commande de eontr-e-réaction agissant sur le courant de sortie de l'élément semiconducteur pour le rendre indépendant des caractéristiques dudit semiconducteur. Suivant l'invention, le montage en parallèle d'un certain nombre d'éléments semiconducteurs de puissance est réalisé-par l'introduction dans chacun des circuits -de base desdits éléments semiconducteurs d'un amplificateur-operationnel avec boucle de contre-réaction en courant rendant le courant de sortie de chacun desdits éléments indépendant de leurs caractéristiques respectives. Tes avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à l'aide des figures qui représentent - la figure 1, un montage relevant de l'art antérieur - la figure 2, un montage dtun éIément- semiconducteur de puissance tendant à rendre le courant de sortie de ltélément indépendant de ses caractéristiques internes - la figure 3, la mise en parallèle de plusieurs éléments semiconducteurs de puissance - la figure 4, un montage avec mise en parallèle d'éléments semiconducteurs de puissance pour la commande bidirectionnelle d'un moteur à courant continu - et les figures 5 et 6, des modifications apportées au montage de la figure 2 pour des puissances traitées importantes. La figure 1 représente une réalisation de l'art antérieur dans laquelle on remarque les résistances Ra et Rb introduites respectivement dans les circuits d'émetteur des éléments semiconducteurs ou transistors Ta et Tb de puissance, montés en parallèle. Ce montage est utilisé par exemple pour la commande d'un moteur M à courant continu, aux bornes duquel s'établit une tension VM. Ce moteur ou charge est connecté aux émetteurs des transistors Ta et Tb, à travers respectivement les résistances Ra et Rb. La tension d'alimentation continue VC du circuit de commande du moteur est appliquée aux collecteurs des transistors. La tension de commande VE des transistors est appliquée respectivement sur leurs bases.Le gain en courant symbolisé par P étant différent par hypothèse pour les deux transistors de puissance par suite du défaut d'apairage signalé on constate que le courant de sortie de chacun des transistors n'est pas le meAme pour les deux transistors0 En particulier, si par exemple le becta du transistor Tb est supérieur à celui du transistor Ta, le courant de sortie du transistor Tb sera supérieur à celui du transistor Ta et il s'établit un déséquilibre dans le montage pouvant conduire à une puissance dissipée trop grande et/ou à une destruction d'un transistor.Le fait d'avoir inséré des résistances dans les circuits d'émetteurs des transistors n'est donc pas suffisant pour permettre une mise en parallèle de transistors de puissance avec utilisation de ces transistors conformément , ers earactéristiques. Suivant l'invention et Fcar remédier à l'état de choses fâcheux de l'art antérieur, on rend i'-- pP.' nt de ses caractéristiques internes le courant de sortie du ou des transistors considérés, cette indépendance autorisant alors leur montage en parallèle dans des conditions avantageuses. La figure 2 donne un exemple de réalisation du montage d'un transistor de puissance pour lequel le courant 1de sortie du transistor a été rendu indépendant de ses caractéristiques internes et en particulier de son gain en courant. - Le transistor de puissance considéré est repéré par la référence T, et comporte une base, un émetteur et un collecteur.Le circuit de la base comprend un amplificateur opérationnel A auquel il est couplé à travers une résistance R30 L'entrée négative de cet amplificateur est connectée à une des bornes de la source de commande, VE du transistor à travers une résistance Ri. Entre l'émetteur du transistor T dans lequel est placée une résistance r aux bornes de laquelle on recueille une tension de sortie VS, et l'entrée de l'amplificateur opérationnel A est établie une boucle de contre-réaction contenant une résistance R2. Une diode D entre l'entrée et la sortie de l1ampl;i'fi cateur A permet de refermer la boucle de l'amplificateur pour les signaux négatifs de sortie d'une part et de protéger les jonctions du transistor d'autre part. On peut déterminer le courant IS de sortie du transistor de façon simple : IS = r. Quand le gain de l'amplificateur A est grand, VS R2 de l'ordre de 104 couramment on a : VE = R1 d'où l'on déduit : IS = VE R2 1 R1 r On remarque que le courant IS ne dépend que des valeurs des résistances R2, R1 et r. Cette indépendance du courant de sortie du transistor de puissance, de ses caractéristiques internes, permet le montage en parallèle sans problème, de plusieurs transistors de puissance, nombre pouvant d'ailleurs eAtre grand. La figure 3 donne un exemple du montage en parallèle de trois transistors de puissance T1, T2 et T3, chacun d'entre eux étant associé à un amplificateur opérationnel A1, A2, A3 introduits dans le circuit de la manière décrite à l'appui de la figure 2. On retrouve dans ce montage, répétés trois fois, les éléments décrits dans la figure 2. Les courants de sortie IS1, IS2 et 153 des trois transistors sont sommés dans la résistance Rc, ou résistance de charge pouvant entre par exemple un moteur à courant continu alimenté par la tension Vcc. La tension VE est la tension de commande des transistors T1, T2 et T3. On pourracependant remarquer que si le montage de la figure 3 s'applique à la commande d'un moteur à courant continu, celui-ci tournera dans un seul sens. La figure 4 donne un exemple, suivant les principes de l'invention, de commande bidirectionnelle d'un moteur à courant continu. Ce montage qui est symétrique comprend deux ensembles I et II identiques de deux circuits de commande montés en parallèle, chacun des deux ensembles permettant respectivement la commande du moteur M pour un sens de rotation déterminé. On constatera que les références des résistances n'ont pas été différenciées dans les différentes parties de la figure 4. Cette absence de différenciation est estimée ne pas nuire à la compréhension de la figure. On notera par contre que les diodes D1 et D2 de l'ensemble I et celles D3, D4 de l'ensemble II sont montées de façon inverse les unes des autres.Ceci provient de ce que les ensembles I et II ne pouvant fonctionner simultanément puisqu'ils commandent chacun un sens de rotation différent, les diodes D1 et D2 de l'ensemble I doivent bloquer les tensions négatives présentes à la sortie des amplificateurs Al et A2 tandis que les diodes 1)3 et D4 de l'ensemble II doivent bloquer les tensions positives présentes à la sortie des amplificateurs A3 et A4. Les transistors dans les deux ensembles étant complémentaires les références S1 et S2 symbolisent les sources de tension continue de commande du moteur M pour l'un et l'autre sens de rotation et VE représente la tension de commande des transistors du montage. On notera que les montages qui ont été décrits sont parfaitement adaptés à la commande d'asservissement de puissance toutefois relativement limitée de l'ordre de quelques centaines de watts, ce pour des raisons technologiques, les amplificateurs opérationnels actuellement disponibles délivrant un courant de sortie ne dépassant pas quelques milliampères limitant de ce fait à une dizaine d'ampères le courant de sortie des transistors de puissance. Pour des asservissements de puissance supérieure on introduit un ou plusieurs étages intermédiaires permettant d'augmenter dans les proportions désirables le courant de sortie des transistors de puissance considérés. La figure 5 représente un circuit modifié par rapport au circuit de la figure 2 dont il conserve par ailleurs les propriétés et qui fournit une solution à la commande des asservissements à forte puissance. Tous les éléments décrits dans cette figure 2 se retrouvent dans la figure 5, en particulier l'amplificateur opérationnel A et la boucle de contre-réaction en courant établie entre la sortie émetteur du transistor de puissance T et l'entrée de l'amplificateur A ainsi que la diode D de protection des jonctions des transistors et de blocage, dans le cas de la figure, des tensions négatives de sortie de 11 amplificateur. L'étage de puissance comporte lui deux transistors T et UD avec les collecteurs connectés en parallèle et l'émetteur de l'un Tq connecté à la base de l'autre T, dont l'émetteur constitue la sortie de ltétage, tandis que l'amplificateur opérationnel est connecté par sa sortie à la base du premier transistor T1). Ce montage est connu sous le nom de montage "compound" ou de "Darlington". Il n'est évidemment pas limité à deux transistors, pouvant être facilement étendu à trois transistors comme le montre la figure 6 par exemple. Les montages des figures 5 et 6 peuvent être montés en parallèle suivant les enseignements des figures 7 et 4. La figure 7 donne à titre d'exemple le montage en parallèle de trois circuits conformes à celui de la figure 5. Cette figure 7 dont une description détaillée paraît inutile représente ainsi, conformément à l'invention, et à titre d'exemple, un montage en parallèle d'éléments semiconducteurs de puissance, capables de supporter une puissance très importante. On a ainsi décrit comment réaliser le montage en parallèle d'éléments semiconducteurs de puissance. REVEN1)I CAT IONS 1. Montage en parallèle d'éléments semiconducteurs de puissance dans lequel la tension de commande (VE) desdits éléments est appliquée à leur base et la charge est montée dans leur collecteur, caractérisé en ce qu'un amplificateur opérationnel (A) est introduit dans le circuit de base de chacun des éléments semiconducteur de puissance (T), qu'unie boucle de contre-réaction en courant est établie entre la sortie émetteur de chaque élément semiconducteur et l'entrée dudit amplificateur opérationnel avec un élément unidirectionnel connecté entre la sortie et l'entrée de 11 amplificateur opérationnel. 2. Montage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'introduction dans le circuit de base d'un élément semiconducteur de puissance d'un amplificateur opérationnel, avec des résistances de contre-réaction (R1-R2) rend le courant de sortie (IS) dudit élément semiconducteur de puissance, indépendant des caractéristiques dudit élément. 3. Montage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que suivant la polarité de la source d'alimentation (S1-S2) de la charge (M); l'élément unidirectionnel (D) monté entre la sortie et l'entrée d'un amplificateur opérationnel (A) a une polarité telle qu'il bloque les signaux de sortie de la polarité opposée dudit amplificateur opérationnel et protège les jonctions de 11 élément semiconducteur associe. -4. Montage suivant l'une des revendications 2 ou 3 pour la commande bidirectionnelle d'un moteur à courant continu, caractérisé en ce que ledit moteur (M) est commandé par deux ensembles symétriques (I-II) comprenant chacun au moins deux montages en parallèle d'élé ment s semiconducteurs de puissance dans lesquels les éléments unidirectionnels sont de polarité opposée et les éléments semiconducteurs de puissance sont complémentaires. 5. Montage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour traiter des puissances élevées, les éléments semiconducteurs de puissance sont multipliés suivant des montages à deux ou trois éléments dits mixte ou Darlington. 6. Montage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments unidirectionnels (D1-D2) d'un des ensembles (I) sont de polarité opposée à ceux de l'autre ensemble (II) et que les éléments semiconducteurs dans les deux ensembles sont complémentaires. 7. Montage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour traiter des puissances très élevées, onintroduit entre chaque élément semiconducteur de puissance (T) et l'amplificateur opérationnel (A) qui lui est associé, un ou plusieurs étages (2D) intermédiaires, réalisant pour les éléments semiconducteurs, le montage connu sous le nom de "montage Darlington". 8. Asservissements de puissance comprenant le montage en parallèle d'éléments semiconducteur de puissance, conformément à l'une quelconque des revendications 1 à 5.