Brevet FR2465372A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne un agencement de commutation à semi- conducteur permettant de commander la fourniture d'une énergie en courant continu à une charge. Un agencement bien connu de l'art antérieur consiste à connec- ter le chemin émetteur-collecteur d'un transistor de puissan- ce en série avec la charge et la source d'alimentation en courant continu. Lorsqu'on souhaite faire passer le tran- sistor à l'état conducteur pour appliquer l'énergie en cou- rant continu à la charge, un courant continu est fourni en permanence à la jonction base-émetteur de façon à amener le transistor à son mode de saturation et à l'y maintenir. En fait, le transistor fonctionne en relais. Un courant de base d'amplitude relativement petite commande le débit du col- lecteur de valeur élevée ou courant de charge. Cependant, cet agencement de commutation de l'art antérieur consomme une puissance assez importante, il gaspille de l'énergie et est inefficace. La présente invention apporte une amélioration importante aux agencements de commutation de l'art antérieur pour la connexion de circuits d'alimentation en courant con- tinu à des circuits de charge, étant donné que l'agencement de la présente invention a non seulement une construction simple et peu coateuse, maig consomme une puissance bien in- férieure et est hautement efficace. 2. Le système de commutation à semi-conducteur de la présente invention permet de commander l'application à une charge d'une tension continue produite par un circuit d'ali- mentation en courant continu. Le système comprend un transis- tor de puissance comportant une base, un émetteur et un col- lecteur et présentant un temps de stockage prédéterminé. Un moyen est prévu pour coupler le circuit d'alimentation en courant continu et la charge en série avec le chemin de con- duction émetteur-collecteur du transistor. Une source d'impul- sions produit périodiquement des impulsions de récurrence ayant un temps de séparation entre impulsions successives in- férieur au temps de stockage du transistor.Le système de com- mutation comprend également un moyen pour appliquer les impul- sions entre la base et l'émetteur et amener le transistor à saturation,ce qui a pour effet de coupler le circuit d'alimen- tation en courant continu à la charge et d'y appliquer la ten- sion continuele transistor restant saturé entre impulsions successives de façon à maintenir une application continue de la tension en courant continu à la charge. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec le dessin ci-joint, qui représente le schéma du dispositif de la présente inven- tion. Un transistor 10 est un transistor de puissance NPN classique capable de supporter des intensités très importantes. Un circuit d'alimentation en courant continu 12 (représenté schématiquement par une simple batterie) peut comprendre une source de tension en courant continu-de valeur soit fixe, soit variable. Par exemple, dans l'une des ap- plications de la présente invention,le circuit 12 peut être une source ayant une tension d'environ 300 volts. A ti- tre d'autre exemple,le dispositif de la présente invention peut être incorporé dans un onduleur o quatre transistors de commutation, comme le transistor l0,passent à l'état conducteur et non conducteur par paires et dans une séquen- ce prédéterminée de façon à alterner la polarité de la ten- sion continue appliquée à une charge, délivrant ainsi effec- 3. tivement une puissance alternative monophasée à la charge. Dans ce type d'application incorporant un onduleur, l'ampli- tude de la tension en courant continu fournie par le circuit d'alimentation 12 peut être réglable de façon à faire varier l'amplitude de la tension alternative produite par l'onduleur. En fonction de l'application pratique. de la pré- sente invention, la charge 14 peut prendre différentes formes et inclure des résistances, des inductances et/ou des conden- sateurs. Par exemple, lorsque le transistor 10, et trois au- tres transistors similaires, fonctionnent en commutateurs dans un onduleur, la sortie de cet onduleur peut être cou- plée à un moteur à induction alternatif monophasé pour en commander la rotation. Dans ce cas, la charge 14 serait une charge inductive. La charge 14 et le circuit d'alimentation 12 en courant continu sont connectés en série avec le collecteur 16 et l'émetteur 17 du transistor lO.Comme le transistor est normalement non conducteur, il sert de commutateur nor- malement ouvert pour maintenir la déconnexion entre le cir- cuit d'alimentation 12 et la charge 14. Le commutateur est fermé, pour appliquer la tension en courant continu de la source 12 à la charge 14,en fournissant à la base 18 un cou- rant d'une amplitude suffisante pour amener le transistor à saturation, moment o une impédance de très faible valeur sera présente entre le collecteur 16 et l'émetteur 17. Pour commander le fonctionnement du transistor 10, une source d'impulsions contrôlées 20 produit périodiquement des impulsions de récurrence de sens positif, avec une fré- quence de répétition relativement élevée. De préférence, la fréquence sera d'au moins 100 kilohertz. L'amplitude de cha- que impulsion de sens positif sera suffisamment élevée pour amener le transistor à saturation. Par conséquent, chaque fois qu'on souhaite connecter la charge 14 au circuit d'ali- mentation 12, la source 20 peut être commandée de manière appropriée de façon qu'une série ou un train d'impulsions de récurrence périodiques soit appliqué entre la base 18 4. et l'émetteur 17 pour amener le transistor à saturation et le rendre conducteur. Lorsque le dispositif de la présente in- vention se trouve dans l'environnement d'un onduleur, la source d'impulsions 20 sera commandée par les circuits logi- ques classiques, de façon à amener à l'état conducteur et non conducteur les quatre transistors (identiques au transistor ) aux moments corrects. Une caractéristique particulière de la présente invention réside dans le maintien du transistor à son état saturé pendant l'application d'une série d'impulsions dis- tantes les unes des autres, bien que le courant de base soit supprimé entre les impulsions. Cela est accompli par uti- lisation de la caractéristique de stockage de charge du tran- sistor. Lorsqu'un transistor est amené à saturation par le courant de sa base, les porteurs minoritaires s'accumulent dans les régions de la base et du collecteur et ces porteurs doivent être balayés, par exemple par recombinaison ou ab- sorption, après la terminaison du courant de base avant que le transistor ne quitte son état de saturation et devienne non conducteur. Ce processus de suppression des porteurs minoritaires nécessite un intervalle de temps fini qui est appelé "temps de stockage". Alors que dans de nombreuses applications de transistors, le temps de stockage présente un inconvénient notable, cette propriété est avantageusement utilisée dans la présente invention. La durée spécifique du temps de stockage pour un transistor donné est déterminée par plusieurs facteurs dont elle dépend, par exemple par le ty- pe de transistor, l'amplitude du courant émetteur-collecteur ou courant de charge, la température de jonction et l'impé- dance externe couplée entre la base et l'émetteur. Quel que soit le temps de stockage du transistor de puissance particulier utilisé, la source d'impulsions 20 doit être conçue de façon que les impulsions émises aient un temps de séparation (c'est-à-dire l'intervalle de temps entre le bord arrière d'une impulsion et le bord avant de l'impulsion suivante) inférieur à ce temps de stockage. Les formes d'ondes, fréquences, et rapports cycliques des impul- 2/i65372 5. sions peuvent être diverses, et le système de commutation peut toujours fonctionner selon la présente invention tant que le temps de séparation entre impulsions successives ap- pliquées à la jonction base-émetteur est inférieur au temps de stockage du transistor. Dans ces conditions, les por- teurs minoritaires maintiendront le transistor 10 dans son état saturé, entre impulsions, lorsque le courant de base est absent. Par conséquent, chaque fois que la source 20 ap- plique une série d'impulsions entre la base 18 et l'émetteur 17, le transistor 10 reste saturé entre impulsions successi- ves et maintient l'application continue d'une tension en courant continu, fournie par le circuit d'alimentation 12, à la charge 14. Grâce à l'utilisation d'un courant de base inter- mittent dans le but de maintenir le transistor dans son état conducteur,des économies importantes d'énergie sont ob- tenues à la fois dans le circuit de commande de la base et dans le transistor lui-même. Lorsque le courant de la base est nul entre impulsions, la puissance consommée dans la jonction base-émetteur sera également nulle. De plus, aucun courant de base ne circulant dans la jonction, la tension base-émetteur sera inférieure à ce qu'elle serait en présen- ce d'un courant de base. Il en résulte que la tension émet- teur-collecteur chute pendant les intervalles de temps en- tre impulsions et cela a pour effet de réduire la dissipation de puissance dans le transistor dans le chemin de conduc- tion émetteur-collecteur. En outre, en utilisant une comman- de par train d'impulsions au lieu d'une commande continue, des économies sont réalisées dans la construction du circuit de commande. Par exemple, la taille du circuit d'alimentation pour la commande de la base peut être réduite étant donné qu'une puissance plus faible est dissipée dans la jonction base-émetteur. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits,elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 6. REVENDICATIONS 1 - Système de commutation à semi-conducteur pour l'application d'une tension en courant continu, fournie par un circuit d'alimentation en courant continu, à une charge, caractérisé en ce qu'il comprend: - un transistor de puissance (10) comportant une base (18), un émetteur (17) et un collecteur (16) et présen- tant un temps de stockage prédéterminé; - un moyen de couplage du circuit d'alimentation en courant continu (12) et de la charge (14) en série avec le chemin de conduction émetteur-collecteur du transistor; - une source d'impulsions (20) pour produire périodiquement des impulsions-de récurrence ayant un temps de séparation entre impulsions successives inférieur au temps de stockage du transistor; - et un moyen pour appliquer les impulsions entre la base et l'émetteur afin d'amener le transistor à satura- tion,ce qui a pour effet de coupler le circuit d'alimentation en courant continu à la charge et d'appliquer à celle-ci la tension en courant continu, le transistor restant saturé en- tre impulsions successives de façon à maintenir une appli- cation permanente de la tension en courant continu à la charge.