Brevet FR2470484A1 — publié le 19810529

La présente invention concerne un montage de tran- sistors de type Darlington à faibles pertes et plus particu- lièrement un tel montage dans. lequel le transistor de puissance peut fonctionner alternativement en transistor S indépendant ou en montage Darlington. La figure 1 rappelle la structure d'un montage Darlington de deux transistors. Ce montage comprend un tran- sistor de puissance ou transistor principal T1 et un transis- tor auxiliaire ou transistor pilote T2. Les collecteurs de ces deux transistors sont interconnectés et la base du transistor principal est connectée à l'émetteur du transistor pilote. Cet ensemble comprend trois bornes de connexion, une borne de collecteur C correspondant à la borne de collec- teur C du transistor principal, une borne d'émetteur E. correspondant à la borne d'émetteur E1 du transistor principal et une borne de commande B correspondant à la base B2 du transistor pilote. De façon générale, on désignera dans ce qui suit sans indice les bornes correspondant au montage d'ensem.- ble, avec l'indice l les bornes correspondant au transistor principal T1 et avec l'indice 2 les bornes correspondant au transistor pilote T Un montage Darlington tel que représenté en figure 1 peut être réalisé sous forme de structure intégrée sur un substrat semiconducteur ou sous. forme d'une association de composants discrets, Dans tous les cas, le transistor principal T1 est un transistor de forte puissance devant le transistor T2. Les avantages du montage Darlington sont bien connus et résident essentiellement dans le fait que ce montage permet de mettre en conduction à l'état de saturation le transistor principal T1 avec un courant de base beaucoup plus faible que celui qui serait nécessaire en l'absence du transistor T2. Dans le cadre de la présente invention, on va examiner plus particulièrement un inconvénient du montage Darlington à savoir que, pour une gamme de courant que le transistor T 2 pourrait supporter seul, la chute de tension en direct est plus élevée dans le cas du montage Darlington que dans le cas ou ce transistor T1 est monté seul. On s'intéressera ici. essentiellement aux cas des transistors de puissance fonctionnant en commutation, c'est- à-dire dans lesquels le courant de base est suffisamment élevé pour que l'on fonctionne toujours en régime de satura- tion vraie. Ainsi, si on considère un transistor tel que le transistor T1 monté indépendamment dans lequel on veut obtenir un courant de collecteur Ici de 50 A, le courant de base devra être, pour qu'on soit dans un état de saturation vraie, d'environ 2,5 ampères alors que la chute de tension en direct entre le collecteur et l'émetteur sera sensiblement VCE sat = 0, 4 volt. Si l'on cherche à faire fonctionner dans les mêmes conditions, c'est-à-dire avec un courant de collec- teur d'environ 50 ampères le transistor T1 associé en Darlington avec le transistor T2, le courant de base ne devra être que de 0,5 A mais la chute de tension en direct sera supérieure à 1 volt. La diminution du courant de base dans cette gamme de valeurs n'est pas un avantage notable alors que l'augmentation de la chute de tension en direct constitue un inconvénient marqué. En effet, elle correspond à la consommation dans le transistor, c'est-à-dire à des pertes thermiques. Par contre, si l'on voulait faire fonctionner le transistor T1 avec un courant de collecteur très élevé de l'ordre de 150 A, ceci serait impossible en raison de l'aug- mentation très rapide de la chute de tension en direct dans ce transistor et d'autre part, même si c'était possible, nécessiterait la fourniture d'un courant de base très important, par exemple de l'ordre de 30 ampères. Par contre, avec un montage en Darlïngton, pour un courant de collecteur de 150 A, on pourrait travailler en saturation avec un courant de base raisonnable de l'ordre de 2 A, et la chute de tension en direct, serait inférieure à 1,8 volts. La figure 2 illustre des caractéristiques de chute de tension en direct (VCE) en fonction du courant de collecteur (IC) pour un transistor indépendant (courbe 1) et pour l'asso- ciation en Darlington de ce même transistor avec un transistor pilote (courber 2). Les courants de]ase ne sont pas indiqués maïs sont supposés être tels que le transistor de puissance fonctionne toujours. dans. l'état de saturation vraie. Sur les axes de coordonnées de la figure 2 ont été indiquées des valeurs numériques pour faciliter la compréhension mais ces valeurs numériques ne doivent pas être interprétées comme donnant une indication limitative sur la portée de l'invention. Les courbes 1 et 2 se coupent en un point d'intersection 3. Pour des valeurs du courant de collecteur supérieures à la valeur correspondant au point 3 (100 A dans l'exemple choisi), il est clair que seul le fonctionnement en Darlington est possible et c'est pour cette raison que l'on utilise habituel- lement les montages de type Darlington. Pour des valeurs du courant collecteur inférieures à celles correspondant au point 3, les courbes de la figure 2 montrent clairement que la consommation ou chute de tension en direct du transistor en montage indépendant est nettement inférieure à celle du même transistor en montage Darlington. En outre, pour cette gamme de valeur, les courants de base nécessaires pour mettre dans le régime de saturation vrai un transistor indépendant restent raisonnables. Ainsi, c'est un aspect de la présente invention que d'avoir nettement fait ressortir ce phénomène illustré dans la figure 2 à savoir qu'il est intéressant, en ce qui concerne la chute de tension en direct, d'avoir un fonctionnement en transistor indépendant pour une première gamme de valeurs du courant de collecteur puis un fonction- nement en Darlington pour des valeurs plus élevées de ce courant de collecteur. Pour résoudre ce problème, la présente invention prévoit de détecter le courant de collecteur d'un montage Darlington, de comparer ce courant de collecteur à une valeur de seuil, et de faire fonctionner indépendamment le transistor de puissance quand la valeur du courant de collecteur est inférieure au seuil prédéterminé. La détection du courant de collecteur n'est de préférence pas faite directement mais plutôt par détection d'une variable correspondante telle que la tension collec- teur/émetteur du transistor principal Plus particulièrement, la présente invention prévoit un montage de transistor de type Darlington dans lequel la a4?0484 borne de base.du transistor principal est accessible, ce mon- tage comprenant en outre un moyen de commutation susceptible de recevoir a sa borne d'entrée un courant de commande et transmettant ce courant à l'une ou à l'autre de ses bornes de sortie respectivement connectées à chacune des bases des transistors du montage Darlington; un moyen de détection et de comparaison du courant traversant le transistor de puis- sance; et des moyens: de commande pour actionner le moyen de comrutation vers la première ou seconde base selon que le moyen de détection indique que le courant dans le transistor de puissance est supérieur ou inférieur à un seuil pré- déterminé. Le moyen de détection et de comparaison détecte la tension de collecteur du transistor de puissance et la compare à une tension fixe prédéterminée. Au lieu d'effectuer la comparaison par rapport à. une tension fixe prédéterminée, on pourra comparer la tension de collecteur du transistor de puissance à.sa tension de base, le résultat de cette comparai- son étant lui-même comparé à une valeur de seuil, On pourrait envisager d'autres approches pour rendre le fonctionnement du transistor principal du montage Darlington indépendant du transistor pilote. Par exemple, on pourrait disposer un interrupteur tel qu'un transistor en série entre les bornes de collecteur du transistor pilote et du transistor de puissance. Il conviendrait alors d'ouvrir ce transistor série quand le courant dans le transistor principal devient inférieur à un seuil prédéterminé. Néanmoins., si cette solution parait possible dans le cas de composants discrets, elle ne paraît pas réalisable dans le cas d'un montage Darlington intégré dans lequel la borne de collecteur du transistor pilote n'est JO pas accessible indépendamment de la borne de collecteur du transistor principal. En outre, dans le cas o le montage est possible, c'est-à-dire en composants discrets., le transistor supplémentaire inséré en série avec la borne de collecteur du transistor pilote crée une chute de tension accrue entre les bornes de collecteur et d'émetteur du montage quand celui-ci est en fonctionnement Darlington. Une autre approche à.la solution du problème posé consisterait à. utiliser d'une part un irontage Darlington, d'autre part, un transistor indépendant équivalent au transis- tor principal du montage Darlington et à commander alterna- tivement le montage Darlington et le transistor indépendant selon le courant collecteur. L'inconvénient évident de cette méthode est d'obliger à une duplication du nombre des compo- sants de puissance Ces divers objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente un montage Darlington classique; la figure 2 représente des courbes caractéristiques de la chute de tension en direct (VcE) en fonction du courant de collecteur (IC) pour un montage Darlington et pour un tran- sistor indépendant; la figure 3 représente un circuit selon la présente invention; la figure 4 représente plus en détail une partie logique du circuit de la figure 3; la figure 5 représente un circuit de commande de commutation de courant base pouvant être utilisé en relation avec le mode de réalisation de la figure 3; et la figure 6 représente un mode de réalisation particu- lier de la présente invention constituant une variante des circuits des figures 3, 4 et 5. La figure 3 représente un mode de réalisation de la présente invention. On y retrouve les deux transistors T1 et T2 en montage Darlington ainsi que les bornes de collecteur et d'émetteur C et E du montage qui correspondent aux bornes C1 et E1 du transistor T1 La borne de commande B du montage Darlington est maintenant désignée par la référence B2 pour la distinguer de la borne B1 de base du transistor T1 qui est rendue accessible selon la présente invention. Ces bornes B et B2 constituent les deux bornes. de sortie possibles d'un commutateur 10 recevant à sa borne d'entrée 11 un courant de commande de base. Comme cela a été exposé précédemment, le commutateur 10 établit la liaison entre sa borne d'entrée 11 et sa borne dé sortie. B2 quand le courant traversant le transistor T est supérieur au courant correspondant au point 3 de la figure 2 et entre sa borne d'entrée 11 et sa borne de sortie Bl quand le courant de collecteur est inférieur à cette valeur. Cette détection du courant de collecteur peut être faite de toutes. façons possibles. L'une de ces façons consiste à transmettre la tension de collec- teur à une première entrée d'un comparateur 12 dont la deuxième entrée reçoit une tension de référence. Selon que la tension sur le collecteur est supérieure ou inférieure à la tension de référence prédéterminée, un signal est envoyé à un circuit logique 13 comprenant éventuellement d'autres entrées 14 d'inhibition et de remise à zéro pour commander la commutation du commutateur 10. Selon une variante de la présente invention, illus- trée par des traits en pointillés. en figure 3, la deuxième entrée du comparateur 12 peut être connectée à la borne B1. La tension sur cette borne E1 quand le circuit est en conduction est représentée par la courbe en pointillés 4 de la figure 2. On voit que, dès que le courant de collecteur du transistor de puissance T, est voisin de la valeur corres- pondant à celle du point 3, la tension collecteur/émetteur du transistor T1 est très voisine de sa tension base/émetteur, c'est-à-dire que la tension VCE est sensiblement égale à la tension V BE Dès que cet état est détecté par le compara- teur 12, celui-ci envoie des signaux de validation appropriés au circuit logique 13. Cette variante de réalisation permet de s'affranchir de la fourniture d'une tension de référence à la deuxième borne d'entrée du comparateur 12 et évite ainsi de prévoir un circuit spécifique pour chaque transistor T particulier assodi.é à un transistor T2 particulier. La figure 4 illustre un mode de réalisation du circuit logique 13 de la figure 3. Ce circuit logique comprend une borne d'entrée 20 recevant la sortie de l'amplificateur 12 et la transmettant à. une première entrée d'une bascule 21, par exemple une entrée de mise à il de cette bascule. L'autre entrée ou entrée de mise à-0 de la bascule 21 est connectée à un circuit de modulation de largeur d'impulsions 22 par l'intermédiaire d'un circuit de retard 23. Le circuit de modulation de largeur d'impulsions 22 commande également la commutation d'une source de courant 24 alimentant la borne d'entrée 11 du commutateur 10 décrit précédemment en relation avec la figure 3. Cette remise à 0 permet de replacer le commutateur à l'état de repos dans la position B2 (borne B du Darlington). La figure 5 représente un mode de réalisation parti- culier du commutateur 10. On retrouve en figure 5 les transis- tors T1 et T2 et les bornes B1, B2,C et E du Darlington selon l'invention. La borne B2 est connectée à une source d'alimen- tation VA par l'intermédiaire de la jonction collecteur/ émetteur d'un transistor 30 et d'une résistance R2. La borne B1 est connectée à cette même source d'alimentation par l'intermédiaire de la jonction collecteur/émetteur d'un tran- sistor 31 et de la même résistance R2. Des tensions complé- mentaires E1 et E2 sont appliquées aux bornes de base des transistors respectifs 30 et 31. Ainsi, quand la tension E1 est à bas niveau et la tension E2 à. haut niveau, un courant 12 circule vers la base B2 et le circuit fonctionne en Darlington. Par contre, dans l'état inverse, un courant I1 circule vers la base B1 et le transistor T1 fonctionne en circuit indépendant. On notera qu'un avantage de ce schéma particulier réside dans le fait qu'il permet si nécessaire de régler simplement les courants I1 et 12 à des valeurs distinctes et prédétermi- nées en prévoyant un circuit intermédiaire entre l'une ou l'autre des bornes B1 et B2 et la tension VA - La présente invention trouve notamment des applica- tions à des hacheurs de commande de moteurs. Pour de tels circuits, on utilise souvent comme "interrupteur" principal du hacheur, un transistor en montage Darlington. En fait, ce montage Darlington est utile uniquement parce que, au démarrage, un appel de courant important se fait sentir. Lors du fonctionnement stable du moteur, le courant nécessaire est beaucoup plus faible et le fonctionnement en transistor de puissance indépendant tel qu'exposé précédemment est préférable. L'avantage de cette commutation du montage type Darlington au montage type transistor indépendant est parti- culièrement intéressant dans cette application spécifique du fait que la période de démarrage est généralement courte devant la période de fonctionnement stable. L'économie d'énergie réalisée est donc importante. Ceci. permettra en particulier de réaliser une économie sur le montage du transistor de puissance dont les moyens de refroidissement peuvent être notablement réduits. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits ci-dessus elle en inclut les diverses variantes et généralisations comprises dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un montage Darlington comprenant un transistor de puissance et un transistor pilote, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - détecter le courant de collecteur dans le transis- tor de puissance, - comparer la valeur détectée à une valeur de seuil prédéterminée, et - faire fonctionner le transistor de puissance indépendamment du transistor pilote quand le courant de collecteur est inférieur à un seuil prédéterminé. 2. Montage de transistors de type Darlington compre- nant un transistor de puissance et un transistor pilote, les collecteurs des deux transistors étant interconnectés et la base du transistor de puissance étant connectée à l'émetteur du transistor pilote, le collecteur et l'émetteur du transistor de puissance constituant les bornes principales du montage et la base du transistor pilote constituant une borne de commande, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - une deuxième borne de commande reliée à la base du transistor de puissance, un moyen de commutation susceptible de recevoir à sa borne d'entrée un courant de commande et transmettant ce courant à l'une ou l'autre de ses bornes de sortie respective- ment connectées à chacune des bornes de commande, - un moyen de détection et de comparaison du courant traversant le transistor de puissance, - des moyens de commande pour actionner le moyen de commutation vers la première ou la seconde borne de commande selon que le moyen de détection indique que le courant dans le transistor de puissance est supérieur ou inférieur à un seuil prédéterminé. 3. Montage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de détection et de comparaison détecte la tension de collecteur du transistor de puissance et la compare à une tension fixe prédéterminée. 4. Montage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de détection et de comparaison détecte la tension de collecteur du transistor de puissance et la compare la tension de base de ce transistor de puissance accessible au niveau de la deuxième borne de commande, le résultat de cette comparaison étant lui-m&me comparé à une valeur de seuil et transmis aux moyens de commande.