Brevet FR2484741A1 — publié le 19811218

L'invention se rapporte aux circuits d'aide-à la commutation des transistors de puissance. Le fonctionnement des transistors de puissance sur charge inductive, c'est-à-dire sur le type de charge le plus fréquemment rencontré dans les montages o les transistors jouent un rôle de commutation, soumet ceux-ci à des contraintes préjudiciables au rendement du montage et à la durée de vie du transistor. En particulier, le transistor subit des pertes de commutation à l'amorçage et au blocage. Les premières sont liées à l'apparition d'une surintensité, les secondes à la présence simultanée de toute la tension aux bornes du transistor alors qu'il est encore traversé par le cou- rant de la charge. Il est connu, pour réduire la surintensité de l'amorçage, d'insérer une inductance d'aide à la commuta- tion en série avec la charge, avec un circuit composé d'- une diode en série avec une résistance, branché en paral- lèle sur ladite inductance, la diode étant montée pour se trouver en polarisation directe lorsque le transistor est bloqué. Un inconvénient de ce montage est que, au moment du blocage du transistor, l'énergie emmagasinée dans V'- inductance d'aide à la commutation se trouve alors dissi- pée dans la résistance. Il est également connu, pour réduire la contrainte au blocage, de disposer, en parallèle sur le transistor, un circuit composé d'un condensateur de capacité relative- ment faible et d'une autre diode en série. Une autre résis- tance est de préférence connectée, soit en parallèle sur ladite autre diode, soit en parallèle sur les deux diodes. Ladite autre diode est montée pour être en polarisation directe lorsque le transistor se bloque. Un inconvénient de ce montage est que, au moment de l'amorçage, l'énergie emmagasinée dans le condensateur est dissipée dans ladite autre résistance. Ainsi, les montages connus d'aide à la commu- tation des transistors, s'ils réduisent les pertes de com- mutation proprement dites du transistor, engendrent par - 2 - contre des pertes par dissipation d'énergie dans les ré- sistances qu'ils comportent. Ces pertes peuvent devenir suffisamment importantes pour détruire le transistor, lorsque la fréquence de commutation et/ou la tension d'- alimentation dépassent certaines valeurs. La présente invention a pour objet un disposi- tif d'aide à la commutation de transistors dans lequel ces pertes par dissipation sont réduites ou supprimées. Le dispositif suivant l'invention comporte une inductance d'aide à la commutation en série avec le tran- sistor et la charge et reliée par une de ses bornes à 1'- une des bornes d'émetteur ou de collecteur du transistor, une diode ayant une électrode reliée à ladite borne et un condensateur d'aide à la commutation relié à l'autre borne du transistor, ladite diode étant montée pour se trouver en polarisation directe lorsque le transistor est bloqué, et est caractérisé par un condensateur réservoir reliant l'autre borne de l'inductance à l'autre électrode de la diode. Dans un tel montage, le condensateur d'aide à la commutation forme un circuit oscillant avec l'induc- tance à l'amorçage du transistor et, dans un second temps, le courant qui circulait dans l'inductance vient charger le condensateur réservoir auquel l'énergie est ainsi restituée. De même, au blocage du transistor, le courant qui circulait dans le condensateur d'aide à la commuta- tion, à travers l'inductance d'aide à la commutation vient charger le condensateur réservoir. Suivant une particularité de l'invention, l'é- nergie ainsi stockée dans le condensateur réservoir est restituée à la source au moyen d'un montage convertisseur basse tension - haute tension. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention apparaîtront clairement à l'aide de la des- cription ci-après. Au dessin annexé La figure 1 est un schéma de principe d'un dis- positif conforme à un premier mode d'exécution de l'in- vention, 24 474 1 La figure 2 et 3 représentent des variantes, La figure 4 représente un convertisseur polypha- sé à transistors faisant application du dispositif de l'invention, et La figure 5 représente un générateur de tension alternative variable à thyristors faisant application du dispositif de l'invention. Le montage représenté à la figure 1 comporte un transistor de puissance 1, ou plusieurs transistors mon- tés en parallèle, destiné à l'alimentation d'une charge inductive avec laquelle il est connecté en série et fonc- tionnant en commutation. La charge comprend une composante inductive 2, une composante résistive 3 et, éventuellement, une force électro-motrice. Une diode de récupération 4 est, de façon connue en soi, branchée en parallèle sur la charge de manière à être polarisée en sens inverse lors- que le transistor est conducteur. La charge peut être re- liée indifféremment à l'émetteur (cas de la figure) ou au collecteur du transistor. Quand le transistor est rendu conducteur par application à sa base d'une tension de commande par des moyens non figurés, le courant délivré par la source tra- verse l'ensemble charge-transistor et retourne à la source. Quand le transistor est bloqué (par les mêmes moyens) le courant délivré par la source est brusquement interrompu et le courant circulant dans la composante inductive 2 se referme par la diode 4. Ce phénomène de mise en conduction et de blo- cage se répète à la fréquence f déterminée par les moyens de commande et entraîne des pertes dites de commutation (les pertes de conduction dans le transistor étant compa- rativement négligeables) qui peuvent devenir suffisamment importantes pour détériorer le transistor. Les pertes de commutation à la mise en conduc- tion du transistor sont liées à la présence d'une surin- tensité pendant le temps de recouvrement des charges sto- ckées dans la jonction de la diode de récupération. Il est connu de réduire cette surintensité en insérant, en série avec la charge, une petite inductance d'aide à la commutation, sur laquelle est branché en parallèle un 24&4741 - 4 - circuit comprenant une diode en série avec une résistance, la diode étant branchée de manière à être en polarisation directe lorsque le transistor est bloqué. Les pertes de commutation au blocage du transis- tor sont liées à une croissance de la tension collecteur- émetteur alors que la composante inductive de la charge tend à maintenir constant le courant dans le transistor. Il est connu de réduire cette tension en disposant, en parallèle sur le transistor, un circuit composé d'un con- densateur et d'une diode connectés en série. De préférence, une résistance est connectée en parallèle sur la diode, laquelle est montée de façon à être conductrice quand le transistor se bloque.- Avec ces circuits d'aide à la commutation, les pertes dans le transistor sont fortement diminuées. En contre partie, il apparaît des pertes dans les résistances associées à l'inductance et au condensateur d'aide à la commutation. Ces pertes sont: pour l'inductance PL = 1 L.I2 x f pour le condensateur:P c = * C.V2 x f On voit apparaître une limitation à l'augmenta- tion de la puissance P = VI disponible aux bornes de la charge et à celle de la fréquence de fonctionnement. En effet, rapidement, les pertes Pc et PL deviennent impor- tantes et entraînent, d'une part des problèmes de dissi- pation et, d'autre part, une détérioration du rendement. Le dispositif dont la description suit permet de réduire le nombre de composants utilisés pour les cir- cuits d'aide à la commutation et surtout d'autoriser la récupération des pertes. Avec ce moyen les pertes sont insignifiantes et, de ce fait, la puissance du dispositif peut être très fortement augmentée, ainsi que la fréquence de fonctionnement et le rendement est sensiblement amélioré. Dans le circuit d'aide à la commutation de la figure 1, l'inductance 5 est reliée par une de ses extré- mités à une borne du transistor 1 (cette borne pouvant être indifféremment le collecteur ou l'émetteur). A ce point commun se trouve reliée une borne de la diode 6. - 5 - L'autre borne de la diode 6 est reliée à une borne du con- densateur 7 d'aide à la commutation et à une borne d'un condensateur réservoir 8, ayant une valeur très supérieure à celle du condensateur d'aide à la commutation. Ce con- densateur réservoir-pourra être par exemple un condensa- teur électrochimique basse tension de capacité telle que sa charge reste sensiblement constante au cours du fonc- tionnement du montage. A titre d'exemple, pour une capa- cité de 1)&Fdu condensateur d'aide à la commutation, le condensateur 8 pourra avoir une capacité de 1000 PF. L'autre borne du condensateur d'aide à la commutation est connectée à l'autre borne du transistor, et l'autre borne du condensateur réservoir est connectée à la borne libre de l'inductance d'aide à la commutation. La diode 6 est branchée de telle sorte que le circuit composé de ladite diode et du condensateur réser- voir soit en polarisation inverse quand le transistor est conducteur. On voit que le dispositif d'aide à la commuta- tion qui vient d'être décrit se distingue-de dispositifs connus par le fait que-la diode et la résistance associées à l'inductance d'aide à la commutation sont remplacées par un condensateur réservoir. Son fonctionnement est le suivant: à la mise en conduction du transistor, le cir- cuit formé par le condensateur d'aide à la commutation en série avec le condensateur réservoir se trouve, par l'in- termédiaire du transistor, connecté en parallèle sur l'in- ductance d'aide à la commutation. L'ensemble des conden- sateurs 7 et 8 mis en série est équivalent au condensateur 7 de plus faible valeur. Ainsi, le condensateur 7 et l'- inductance 8 forment un circuit oscillant. Le courant qui prend naissance dans ce circuit oscillant a une allure sinosoidale. A l'instant dé la mise en conduction du transistor, ce courant est nul; il est maximum à l'ins- tant correspondant au quart de la période du circuit os- cillant. Au même instant, la tension du condensateur est nulle. Il en est de même pour la tension aux bornes de l'- inductance. L'instant suivant, la tension présente aux bornes de l'inductance tend à s'inverser, entraînant la -6- fermeture de la diode. Le courant qui circulait dans l'inductance vient alors charger le condensateur réservoir. Quand le transistor se bloque, le courant qui y circulait est dérivé, par l'intermédiaire de la diode, dans le condensateur d'aide à la commutation et, quand la tension collecteur - émetteur aura atteint la tension de la source, le courant qui circulait dans l'inductance viendra à nouveau charger le condensateur-réservoir. Ce montage permet donc de transférer l'énergie- du condensateur d'aide à la commutation dans l'inductance d'aide à la commutation, cette énergie étant ensuite trans- férée dans le condensateur réservoir. Il en est de même pour l'énergie stockée dans l'inductance d'aide à la commu- tation (cette énergie étant due au courant traversant la charge). Ainsi donc, les énergies 1 L 12 et 2 C V2 (I étant le courant dans la charge, VA la-tension d'ali- mentation, L et C les valeurs de l'inductance et du con- densateur d'aide à la commutation) sont stockées sous forme de tension dans le condensateur réservoir. La tension v r aux bornes de celui-ci sera donc telle que: 2 2 V2 1 (LI + CVA) r Cr (Cr étant la valeur dur condensateur réservoir). En fonction de l'énergie ainsi stockée, il sera possible, soit de dissiper celle-ci dans une résistance 9 connectée en parallèle sur le condensateur réservoir, soit de récupérer cette énergie pour la restituer à la source. A cet effet, la résistance 9 sera alors remplacée, par exemple, par un transformateur élévateur de tension fonc- tionnant à haute fréquence, ou par un montage utilisant un transistor à haute tension et une inductance. De tels mon- tages de restitution de l'énergie à la source sont bien connus en soi. Un circuit de ce genre a été symbolisé en à la figure 2. Le montage qui vient d'être décrit apporte-, en plus, de la possibilité de récupérer l'énergie, les avan- tages suivants: - 7 - La tension aux bornes de la charge est égale à la différence entre la tension d'alimentation (qui est une tension continue constante) et la tension présente aux bor- nes de l'inductance 5. Cette dernière tension étant en forme d'arche de sinusoïde, à la mise en conduction du transis- tor, il en est donc de même pour la tension aux bornes de la charge qui sera de la forme V = VA sin w t La valeur maximum de la dérivée de la tension aux bornes de la charge est donc dt max wVA avec u) = 1 Pour cette raison, il est possible sans adjonc- tion de matériel, de limiter la valeur maximum de la déri- vée. Cette propriété permet de limiter la pointe de courant dans la diode de récupération connectée en parallèle sur la charge. Dans certaines applications o la charge sera un autre transistor (cas d'un montage en pont: figure 4), on réduira également la pointe de courant dans ledit transis- tor de charge. Dans d'autres applications, comme on le verra dans la suite (figure 5), la charge est constituée par un thyristor dont on réduit alors les risques d'amorçage in- tempestif par dV Si le condensateur réservoir 8 est associé à un circuit auxiliaire qui maintient constante la tension à ses bornes (ce circuit auxiliaire pouvant être le circuit de ré- cupération lui-même), le transistor 1 ne supporte plus que la tension de source augmentée de la tension du condensateur réservoir et ce, quel que soit le courant qui circulait dans l'inductance d'aide à la commutation. Dans le montage connu, o cette inductance était fermée par un circuit diode ré- sistance, la tension que subissait le transistor était égale à la tension de source, augmentée du produit du courant cir- culant dans l'inductance par la valeur de la résistance d'aide-à la commutation, ce qui pouvait occasionner une sur- tension dangereuse. - 8 - On notera que le fonctionnement du montage abou- tit à précharger le condensateur d'aide à la commutation. En effet, après la phase de mise en conduction, quand le transistor 1 est saturé, le condensateur d'aide à la commutation se charge à la tension du condensateur réser- voir. Ainsi, le blocage du transistor s'effectue sous une tension préexistante; ce moyen permet de réduire notablement le temps de décroissance du courant de collecteur. Le montage muni du circuit d'aide à la commuta- tion décrit permet en définitive de réduire les contraintes subies par le transistor en offrant la possibilité de maî- triser parfaitement les phénomènes de commutation. Le tran- sistor n'est jamais le siège d'une tension et d'un courant simultanés. Le montage permet de récupérer la quasi totali- té des pertes qui sont habituellement dissipées dans les autres montages et de limiter la valeur dV appliquée à la charge, ce qui est un très grand avantage dans les montages en pont. Il permet encore de limiter la surtension subie par le transistor et ainsi, de réduire les marges de sécu- rité prises habituellement. Ce type de circuit est particu- lièrement avantageux pour les montages à haute tension o les transistors fonctionnent en polarisation inverse de base (fonctionnement dit en "V C E X"). Il est ainsi possible d'étendre le fonctionnement de certains transistors aux réseaux 380 V redressés. A la figure 3, on a représenté une variante du montage de la figure 2, dans laquelle le condensateur d'- aide à la commutation 7 a est connecté entre le collecteur du transistor 1 et la borne du condensateur réservoir 8 reliée à la source. A la figure 4, on a représenté l'application d'- un tel montage à un dispositif comportant plusieurs transis- tors 11 à 16 montés en pont pour constituer un convertisseur polyphasé destiné à l'alimentation d'un moteur asynchrone. Les numéros de référence 11 a à 16 a désignent les diodes de récupération associées aux transistors. Le circuit d'aide à la commutation comprend une seule inductance (respectivement 17, 18) une seule diode (respectivement 19 - 20), un seul condensateur réservoir - 9 - (respectivement 21 - 22) et un seul circuit de récupération (respectivement 23- 24) pour chaque groupe de trois tran- sistors, tandis qu'il y a autant de condensateurs d'aide à la commutation (25 à 30) qu'il y a de transistors. Le montage représenté à la figure 5 est un mon- tage en pont de thyristors (Th1 à Th6). Un tel montage peut être destiné à l'alimenta- tion d'un moteur asynchrone M ou d'un moteur synchrone à vitesse variable et comporte un pont de diodes de redresse- ment D1 à D6 en amont des circuits d'aide à la commutation, des transistors T1 à T2 et des diodes D7 à D12 de récupé- ration. Ces circuits comprennent chacun une inductance (L1, respectivement L2) en série avec le transistor et, en parallèle sur celui- ci, une diode (D13, respectivement D16) et un condensateur d'aide à la commutation (C5, respecti- vement C4) en série. Entre la borne commune aux diodes Dl, D2, D3 (respectivement D4., D5, D6) et le point commun à la diode et au condensateur d'aide à la commutation est con- necté un condensateur réservoir (C1, respectivement C3) aux bornes duquel est branché un circuit de récupération de l'énergie, tel que décrit plus haut (RE1, respectivement RE2). Ces circuits de récupération renvoient l'énergie des condensateurs C1 et C3 à un condensateur réservoir C2. Des résistances R'1 et R'2 marquées en pointillé permettent d'évacuer les courants de fuite des transistors T1 et T2. On considérera, pour expliquer le fonctionnement du dispositif, une configuration o le transistor T2 est conducteur et o le courant circule à travers T2, un thy- ristor du groupe inférieur (par exemple Th4), une phase du moteur (par exemple II - III) et une diod-e (par exemple Dil). La commande de l'amorçage du transistor T1, en série avec le thyristor Th2, pour effectuer une commutation,entraine le phénomène suivant: D1l ne se bloquant pas immédiatement, il en résulte un courant de récupération des charges qui - 10 - sont stockées dans la jonction de cette diode D11, courant qui circule à travers L1, T1, Th2 et Dll, et un courant de décharge du condensateur C5, qui s'additionne avec le précédent dans Ti et L1. Ce phénomène est toutefois de très courte durée et n'entraîne pas de pertes importantes dans le transistor. A la fin de ce phénomène de commutation, le cou- rant qui circule dans Li ne peut s'interrompre brutalement et il doit obligatoirement se refermer. Mais, contrairement à ce qui se passe dans le circuit connu décrit au brevet français susvisé, o ledit courant circule dans le circuit présentant la voie de plus basse impédance, laquelle est constituée par: T1, Th2 et D8, ce qui a pour inconvénient d'allonger la durée de la surintensité résultant du phéno- mène de commutation dans le montage actuellement décrit, le courant qui circule dans Li se referme, à la fin du phénomène de commutation, par D13 et C1 (voie de plus faible impédance que la voie Ti, Th2, D8 et C1). L'inconvénient mentionné ci-dessus se trouve ainsi éliminé. Pour que le montage de la figure 5 fonctionne dans de bonnes conditions, il faut que C1 et C3 soient choi- sis très grands devant C2, afin de limiter leur charge due au courant circulant du moteur à travers les diodes D7 à D12. Il va de soi que diverses autres applications du dispositif pourront être imaginées par l'homme du métier, sans sortir du cadre de l'invention. 24&474 1 - 11- REVENDICATIONS 1. Dispositif d'aide à la commutation de transistors de puissance, comportant une inductance d'aide à la commutation (5) en série avec le transistor et la charge et reliée par une de ses bornes à l'une des bornes d'émetteur ou de collecteur du tran- sistor, une diode (6) ayant une électrode reliée à ladite borne et un condensateur d'aide à la commutation (7 ou 7a) relié à l'autre borne du (ou des) transistor (s), la diode étant montée pour se trouver en polarisation directe lorsque le transistor est bloqué, caractérisé par un condensateur réservoir (8) reliant l'autre borne de l'inductance à l'autre électrode de la diode. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par une résistance (9) en parallèle sur ledit condensateur réservoir (8). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par un convertisseur basse tension - haute tension (10) dont les entrées sont reliées aux bornes dudit condensateur réservoir (8) et dont les sorties sont reliées aux bornes de la source d'ali- mentation VA. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'autre borne du condensateur d'aide à la commutation (7) est reliée à ladite autre borne de la diode (6). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'autre barre du condensateur d'aide à la commutation (7a) est reliée à ladite autre barre de l'inductance (5). 6. Application du dispositif d'aide à la commutation de transistors de puissance selon l'une des revendications 1 à 5, (C1, CS, LI, D13, RE1 et C3, C4, L2, D16, RE2) à l'aide à la commutation des transistors interrupteurs auto-bloquants que com- porte un montage destiné à la commande du courant alternatif dans une charge et comportant au moins un premier couple de thy- ristors dont les anodes sont reliées à la borne positive d'une source continue et un deuxième couple de thyristors (TH4, TH5, TH6, dont les anodes sont reliées aux cathodes des thyristors res- pectifs du premier couple et dont les cathodes sont reliées à la borne négative de la source, lesdits transistors interrupteurs (Tj- T2) respectivement montés en série dans lesdites liaisons.