Brevet FR2338608A1 — publié le 19770812

La présente invention concerne un procédé pour améliorer la qualité de coupure de commutateurs à semi-conducteurs, en particulier de transistors de puissance bipolaires, avec une voie de commande et une voie commandée, ainsi qu'un montage pour sa réalisation. Cn connaît des montages dans lesquels, pour diminuer la puissance de perte à la coupure de transistors de puissance bipolaires par axemple, une capacité est branchée sur leur section collecteurémetteur. Pour ne pas provoquar, à la mise en circuit du transistor une forte suroscillation du courant collecteur, on prévoit, au moyen de soupapes à semi-conducteurs, de diodes par exemple, que d'une part lors du processus de coupure, ctest-à-dire lorsque le transistor est branché pour bloquer, le courant de collecteur du transistor devienne nul avant que, par la capacité la tension à fournir se soit complètement établie, et que, d'autre part, la capacité ne se décharge toutefois pas trop rapidement par le transistor à ltétat conducteur, mais par une résistance montée dans le circuit de décharge.On se résignera alors à un ralentissement correspondant de l'interruption de tension, car la tension primaire de capacité se dégradant est sur la insistance de décharge et non sur la liaison collecteur-émetteur du transistor, et ainsi, la puissance de perte du transistor reste avant tout donnée par le comportement à la mise en circuit du courant, et n'est pas influencée négativement par le comportement-à la mise sous tension. Au commencement du processus de coupure, le courant collecteur du transistor passe dans la capacité et la charge. Comme le courant collecteur du transistor atteint la valeur zéro avant que la tension collecteur-émetteur correspondant à la tension de la capacité ait atteint la valeur finale de la tension à commuter, le transistor peut achever le processus de coupure pour une faible tension collecteur-émetteur, ce qui permet d'obtenir une réduction de la puissance de pertes. Si l'on obtient une amélioration en ce qui concerne la puissance du processus de coupure également dans les montages traditionnels, le processus de coupure de courant s'accomplit relativement lentement, car simplement une résistance base-émetteur suffit pour qu'au début de la commutation de blocage, il se produise une dégradation accélérée des porteurs minoritaires dans le volume de la base. Dans cette phase, la puissance de pertes du transistor est avant tout déterminée par l'allure du courant à la coupure, car l'allure de la tension à la coupure est donne par 13 caraC--risti- que de décharge de la capacité. Comme connu, la charge dans le volure de la base est d'autan+ plus grande que le transistor de coupure est poussé en saturation. tomme le courant collecteur tombe eut d'abord à zéro lorsque tant la charge en excès de la base que sa charge active est diminuée, la rapidité de la commutation en blocage du transistor est déterminée dune façon decisive par l'irltensité du courant inverse de base qui provoque la dégradation de la charge de base, et avec cette rapidité est également déterminée la puissance de pertes à la coupure. La présente invention a pour but, tout en conservant les avantages des montages mentionnés ci-dessus, d'améliorer la rapidité de la coupure de courant et ainsi, la réduction de la puissance de pertes, par une dégradation accélérée de la charge de la base. Dans ce but, on divise le courant à commuter entre une voie commandée proportionnellement à l'impédance de la voie commandée et une impédance en parallèle, et, dans un circuit de commande, on couple, en fonction du courant passant dans l'impédance en parallèle, un signal supplémentaire qui sera superposé dans le circuit de commande, à un signal de commande. Ltinvention sera expliquée ci-dessous, à titre d'exemple, avec une figure. Celle-ci montre le schéma d'un montage suivant l'invention, avec un transistor de commutation commandé indépendamment du potentiel. Sur la liaison base-émetteur d'un transistor NPN T1, est branché un enroulement secondaire 3 d'un transformateur de séparation 5 ayant un enroulement primaire 7. En parallèle avec l'enroulement secondaire 3 du transformateur 5, est montée une résistance de dérivation de la base R2, ainsi qu'un montage en série d'une diode zener 9 et d'une diode 11, la diode zener 9 étant reliée, coté anode, à la base, et la diode Il à l'émetteur du transistor T1. Sur la liaison collecteur-émetteur du transistor T, est branché un montage an série d'une capacité C1 et d'une résistance R1, la résistance R1 étant reliée à l'émetteur du transistor T1.Au point de liaison de la résistance R1 et de la capacité C1, est raccordée l'anode d'une deuxième diode 12 qui, coté cathode, est reliée par l'intermédiaire d'un enroulement 15 à ltémetteur du transistor T1. il est avantageux que l'enroulement 15 soit bobiné sur le même noyau de fer que les enroulements 7 et J du transformateur. 5i l'on applique à l'enroulement primaire 7 du transformateur 5, une tension de commande, par exemple une tension sinusoldale ou rectangulaire, cette tension sera transmise dans le rapport des enroulements primaire 7 et secondaire 3 à la ligne de commande qui est, la liaison base-émetteur du transistor T1. Prenons au hasard une séquence de commutation dans l'enclenchement et-le déclenchement périodique du transistor T1, en admettant qu'au commencement de l'ob- servation, le transistor soit conducteur. Pendant cette phase, la base présente, par rapport à l'émet- teur a un potentiel positif. Si le transistor est poussé du domaine actif à la saturation, son courant collecteur devenant alors pratiquement indépendant du courant de base, il s'établit, correspondant au facteur de surrégulation du courant de base, outre une charge active de porteurs minoritaires correspondant à la zone active de travail du transistor, une charge en surplus correspondant au triangle de diffusion. Sur la liaison collecteur-émetteur, la tension est pratiquement tombée à zéro, car la capacité C1 s'est déchargée par la résistance R1 et la liaison de très faible valeur ohmique collecteur-émetteur du transistor T1. Comme ltenroulement secondaire 3 du transformateur 5 constitue pratiquement avec l'enroulement 15, un auto-transformateur, une tension sera également induite dans l'enroulement 15 par le courant de base relativement élevé qui circule à travers ledit enroulement secondaire dans le circuit base-émetteur du transistor T1, et la diode 11 bloque.Si la tension de commande sur ltenroulement secondaire 3- du transformateur 5 tombe vers zéro, passe au-dessous de la tension de polarisation base-émetteur, et devient négative, la charge en surplus dans le volume de la base, correspondant au degré de saturation du transistor T1 devra disparaître. I1 passe un courant inverse dans la résistance de dérivation de base R2, car aussi longtemps que le courant de collecteur n'est pas nul, la diode base-émetteur du transistor T, reste conductrice et sur.cette section, il y a simplement une très faible tension. Pendant l'évacuation de la charge en surplus dans le volume de la base, le courant de collecteur du tran sistor T1 reste encore pratiquement déterminé par le circuit externe de la tension à couper et dtune résistance de collecteur (non repré sentée). Le courant de collecteur diminue aiipîement de la valeur du courant de base. La- dégradation de la charge en surplus de la base dure, en fonction de la définition du temps d'accumulation du tran sistor, plus ou moins longtemps suivant le facteur de surréglage et de coupure. Pendant la dégradation de la charge en surplus, le gradient de la concentration de charge dans la base reste pratiquement constant, de sorte qu'un courant correspondant de collecteur passe, même après la dégradation. Lorsque la charge en surplus de la base est éliminée, ce sera ensuite la charge active dans le volume de la base qui sera dégradée pour le blocage du transistor. Cette dégradation se produit comme on le sait, pendant le temps de mise à zéro du transistor.Si pendant le temps d'emmagasinage il ne s'est pratiquement pas établi de tension sur la liaison collecteur-émetteur du transistor T1, ce premier intervalle de temps exerce simplement un délai de coupure en ce qui concerne la tension de commande, mais n'intervient pas en ce qui concerne la puissance de pertes à la coupure, et, pendant le temps de mise à zéro, il s'établira une tension sur la liaison collecteur-émetteur du transistor. Dans cet intervalle de temps, la puissance de pertes sera déterminée par l'intégrale dans le temps du courant collecteur et de la tension collecteur-émetteur.Comme dans un commutateur idéal la tension collecteur-émetteur est nulle, en conduction et le courant collecteur nul à l'état non conducteur, la puissance de pertes du transistor T1 sera déterminée d'une façon décisive lors des enclenchements et déclenchements périodiques, par la puissance de pertes pendant les phénomènes transitoires de coupures. I1 en ressort que lors de la mise en position bloquée du transistor T1, on s'efforcera de faire tomber aussi rapidement que possible le courant collecteur à zéro, si possible avant que la tension collecteur-émetteur ait atteint sa valeur finale. Le temps de mise à zéro du courant de collecteur est déterminé d'une façon décisive par le facteur de coupure qui est défini comme le quotient du courant inversé de base et du courant collecteur divisé par l'amplification de courant.En d'autres termes, le temps de mise à zéro est déterminé par la grandeur du courant inverse de base. Si le courant collecteur, par suite de la réduction du gradient de charge dans le volume de la base, décroît au début du temps de mise à zéro, le rapport de répartition de courant au point nodal du transistor T1 est changé. Le courant passe sur la capacité C1 et la charge par la diode 12. En fonction du comportement à la charge de la capacité C1, la modification du rapport de répartition de courant au point nodal est grande au début du temps de mise à zéro. I1 s'ensuit qu'un courant de charge relativement grand passe dans l'enroulement 15 et qu'il induit dans l'enroulement 3 du transformateur 5 par autotransformation, une tension négative supplémentaire qui, par augmentation du courant inverse de base et ainsi du facteur de coupure, accélère la dégradation de la charge active dans le volume de la 52se. On obtient ainsi qu'avec la disparition du gradient de potentiel dans la base, le courant de collecteur du transistor T1 devienne nul avant que toute la tension à commuter ait pu s'établir sur la capacité ^1 Par suite, le transistor T1 coupe d une tension plus faible que celle de fin de coupure. Le temps de mise à zéro est raccourci, la tension de coupure diminuée.Comme pendant ces phénomènes transitoires, la puissance dc pertes est, comme mentionné plus haut, fournie par I'intégrale dans le temps du courant collecteur et de 13 tension coIlecteur-émetteur; on voit que lson obtient une importante réduction de la puissance de pertes. Si le transistor T1 est à nouveau commuté conducteur, la charge capacitive que représente le condensateur C1, provoquerait une suroscillation du courant collecteur au-dessus de sa valeur finale qui est donnée par la tension d'enclenchement et une résistance collecteur (non représentée), car la capacité C1 se déchargerait rapidement par la liaison collecteur-émetteur du transistor T1. Comme la diode 12, bloque pendant la phase conductrice du transistor T1, la capacité C1 se déchargera par la résistance R1. La résistance R1 est dimensionnée de telle sorte que le courant de décharge ne permet au courant collecteur de dépasser sa valeur finale que d'une fa çon insignifiante. Au reste, dès qu'un courant de décharge peut s'écouler, il excite une tension opposée à la tension de capacité sur la résistance de décharge, de telle sorte que la tension collecteur-émetteur décisive pour la puissance de pertes du transistor, reste pratiquement non influencée par le phénomène de décharge, c'est à-dire par la tension de capacité. Toutefois, la dégradation de tension progresse lentement en conséquence, de sorte qu'ici également, le phénomène de coupure de tension n'est plus optimal.Comparé avec le montage habituel pour faciliter la coupure du transistor, dans lequel la diode 12 est directement reliée à l'émetteur du transistor T1, utilisation, suivant l'invention du courant de charge du condensateur pour augmenter le facteur de-coupure, apporte une réduction considérable de la puissance de pertes. Le montage en série de la diode Zener 9 et de la diode 11, situé sur la liaison base-émetteur, sert de protection contre les surtentions pour le transistor T1. La diode Zener limite une tension négative base-émetteur à sa tension Zener. il est évident que le même principe peut être utilisé pour les transistors PNP. il est également possible, dans certaines applications, sur des transistors à potentiel nul non libre, commandés par transformateurs, d'utiliser le courant croissant dans la branche parallèle collecteur-émetteur pour accélérer la coupure. Dans ce cas également, on peut par exemple, créer un flux de champ supplémentaire dans le transformateur de commande.Si le transistor n'est pas commandé par transformateur, il est possible de brancher en série avec la source de commande, un enroulement secondaire dans le circuit base-émetteur, et par cet enroulement, au moyen d'un enroulement primaire monté en série avec le circuit parallèle, de coupler un signal renforçant le signal de commande dans le circuit base-émetteur. Ce procédé peut de plus, être employé sur d'autres semi-conducteurs dont le phénomène de coupure peut être accéléré par une augmentation momentanée du signal de commande. - R E V E N D I C A T I O N S 1.- Procédé pour améliorer les qualités de coupure de commutateurs à semi-conducteurs en particulier de transistors de puissance bipolaires avec une voie de commande et une voie commandée, caractérisé en ce que l'on répartit le courant à couper entre une voie commandée en proportion de 11 impédance de cette voie, et une impédance en parallèle et en ce que, dans un circuit de commande, est couplé en fonction du courant traversant l'impédance en parallèle, un signal supplémentaire qui se superpose à un signal de commande dans le circuit de commande. 2.- Procédé suivant la revendication 1, en particulier pour commutateur à semi-conducteur commandé périodiquement, caractérisé en ce que l'on effectue la répartition de courant en fonction de la fréquence, avec une fréquence limite inférieure qui est plus élevée que celle du signal de commande pour ne pas influencer les états stationnaires de coupure du commutateur. 3.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on accouple un signal supplémentaire dans le circuit de commande, en fonction de courants transitoires traversant l'impédance en parallèle et provoqués par un accroissement de l'impédance de la voie commandée. 4.- Procédé suivant la revendication'l, caractérisé en ce que l'on introduit par voie de transformation, une tension supplémentaire dans le circuit de commande. 5.- Procédé suivant la revendication 1 pour améliorer la qualité de coupure de commutateurs à semi-conducteurs exempts de potentiel et commandés au moyen d'un transformateur de séparation, caractérisé en ce que l'on couple dans le circuit de commande de semiconducteurs, une tension supplémentaire obtenu par autotransformation dans un enroulement secondaire du transformateur de séparation. 6.- Montage pour l'exécution du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que des impédances sont branchées en parallèle avec la voie commandée du commutateur à semi-conducteur, et en ce que sont prévus des éléments de couplage pour-introduire dans le circuit de commande, par les impédances, un signal supplémentaire en fonction du courant. 7. Montage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les impédances (C1) sont constituées de telle sorte qu'elles fournissent un courant proportionnel à la variation dans le temps de la tension dans la voie commandée, pour rendre sensible, aux changements de tension sur la voie commandée, le rapport de répartition de courant dans la voie commandée et les impédances. 8.- Montage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de couplage (3, 15) comportent au moins deux bobines couplées en transformateur, dont l'une (15) est branchée en série avec les impédances (C1) et dont la deuxième (3) est montée dans le circuit de commande du commutateur à semi-conducteur (T1). 9.- Montage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les impédances comportent une capacité (C1). 10.- Montage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de couplage (3,15) sont constitués de telle sorte que le signal supplémentaire est introduit dans le circuit de commande. 11.- Montage suivant la revendication 6, en particulier pour commutateurs à semi-conducteurs commandés par transformateur, caractérisé en ce que sont montés en parallèle avec la voie commandée, au moins une capacité (C1) et un enroulement primaire (15) dtun transformateur de-couplage (3,15) dont l'enroulement secondaire (3) est monté dans le circuit de commande du semi-conducteur (T1). 12.- Montage suivantirevendication 11, caractérisé en ce que 11 enroulement (15) est, dans la branche parallèle à la voie commandée, couplé par effet dauto-transformation avec l'enroulement secondaire (3) d'un transformateur (3,7) pour la commande du semi-conducteur (1) dans le circuit commandé. 13.- Montage suivant la revendication 11, caractérisé en ce que dans la branche en parallèle avec la voie commandée, est monté en série avec l'enroulement (15) un élément de diode (12) pour que la commutation en conduction du commutateur à semi-conducteurs (T1), soit empêchée une décharge de la capacité (C1) par l'enroulement série (15) agissant comme enroulement primaire d'un transformateur de couplage, et ainsi une influence de la tension de commande. 14.- Montage suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'en parallèle avec l'élément de diode (12) et l'enroulement 15) branché en série, un élément de résistance de décharge (R1) relie directement la capacité (C1) à la voie commandée, de sorte que la capacité (C1), la résistance (R1) et ladite voie constituent un circuit fermé pour permettre, lorsque le commutateur à semi-conducteurs (T1) est en conduction, une décharge de la capacité (C1) sur la voie commandée du semi-cnnducteur (T1); 15.- Montage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que, en parallèle avec la voie de commande, est branchée une protec -tion (9,11) contre les surtensions.