Brevet FR2487606A1 — publié le 19820129

L'invention concerne d'une manière générale les circuits de commande destinés à provoquer la mise en conduction et le blocage de dispositifs de commutation de puissance, et elle a trait plus particulièrement à un circuit de commande à couplage magnétique pour le couplage de transistors isolés de commutation de puissance à un circuit de contrôle à dissipation minimale. Le circuit selon l'inven- tion assure une commande à grande vitesse de la mise en conduction et du blocage de dispositifs de commu- tation de puissance relativement élevéetout en minimisant simultanément la dissipation du circuit de commande. Les circuits de commande à transistors et coupla- ge par transformateur sont bien connus. Ces circuits com- prennent généralement une commande à courant de réaction pour faire conduire/ bloquer le ou les transistors de commutation, le courant de sortie du transistor de puissan- ce étant renvoyé, par un couplage par transformateur, dans le circuit de commande (base) des transistors de commuta- tion. Des exemples particuliers de ces circuits de l'art antérieur sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N03 983 418, 3 986 052 et 4 123 670. Cette technique de conduction/blocage accentué ou par réaction réduit l'utilité de ces circuits dans les applications o la section d'amplification du circuit est parcourue par des signaux transitoires ou de bruit. Les transitoires présents dans le signal commuté sont généralement amplifiés par le circuit de mise en conduction par réaction et ils sont appli- qués à la commande de commutation du circuit, ce qui entratne des décklnchements inopinés du ou des dispositifs de commuta- tion. Par contre, le circuit de commande selon l'invention utilise l'énergie emmagasinée dans l'élément magnétique de couplage pour assurer la commande demandée de conduction/ blocage, en isolant pratiquement tout à fait les dispositifs de commutation du circuit de commande. Les défauts indiqués ci-dessus sont connus et on a conçu des circuits pour isoler les dispositifs de commutation de puissance du circuit de commande et de contrôle. En général, ces circuits transmettent l'énergie emmagasinée entre la section de commande et la section de commutation par un cou- plage inductif constitué par un élément magnétique. Des exemples de tels circuits sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique NI 3 820 008, No 4 005 317, No 4 177 393 et No 4 087 703. Ces circuits sont généralement défectueux en ce qui concerne l'un des deux aspects, ou ces deux aspects, à savoir la dissipation sensible du circuit de commande pendant la période de repos ou de blocage du dispositif de commutation de puissance et/ou la limitation à des intervalles de temps déterminés de la possibilité de conduction/blocage du circuit de commande, ce qui diminue notablement les possibilités de conduction/blocage du cir- cuit. Dans la plupart des circuits de l'art antérieur, l'élimination de l'un de ces défauts entraîne généralement une accentuation de l'autre défaut. Contrairement aux circuits de l'art antérieur décrits ci-dessus, le circuit de commande de conduction/blocage à grande vitesse selon l'invention comprend un circuit de com- mande à faible puissance qui est pratiquement isolé du ou des dispositifs de commutation de puissance, tout en présen- tant pratiquement constamment une possibilité de commande de conduction/blocage. En état de repos, c'est-à-dire pendant le blocage en régime stable du dispositif de commutation de puissance, le circuit de commande est nominalement dissipatif tout en restant pratiquement capable constamment de faire passer rapidement les dispositifs de commutation de puissance à l'état conducteur saturé et à l'état bloqué, et inversement. L'invention concerne donc un circuit de commande à couplage magnétique permettant le couplage d'un ou plusieurs transistors de commutation de puissance, pratiquement isolés avec un circuit de commande dissipatif à faible puissance. Plusieurs transistors de commande maintiennent l'emmagasina- ge inductif, dans l'élément magnétique de couplage, d'un niveau d'énergie suffisant pour faire passer rapidement le ou les transistors de commutation de puissance dans des états de blocage ou de saturation, et vice versa. L'énergie emma- gasinée dans l'élément magnétique est contrôlée de manière à varier entre des valeurs minimale et maximale prédéterminées afin d'assurer la présence constante d'une possibilité d'une conduction/blocage et de minimiser la dissipation à l'état non conducteur de repos. Le circuit présente une plus grande efficacité pour des applications de commutation de puissan- ce relativement élevée. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est un schéma du circuit d'une forme de réalisation de l'invention. D'une façon générale, une forme de réalisation du circuit selon l'invention sera d'abord décrite, suivie d'une description détaillée du fonctionnement de ce circuit. Le circuit de commutation représenté sur la figure unique peut être divisé globalement,pour plus de clarté, en deux parties. Une première partie, indiquée globalement en 10, constitue la partie de commande du circuit. Ce cir- cuit de commande comprend des premier et second transistors 12 et 14 de commande dont les bases sont reliées respective- ment à des éléments 12'et 14' produisant des signaux indépen- dants de commande.EncequL concerne la présente invention, les éléments 12' et 14' peuvent transmettre,sélectivement et indépendamment, aux transistors 12 et 14 des signaux de commande suffisants pour les rendre pratiquement conducteurs ou pour les bloquer à l'état non conducteur. Un transforma- teur 18 comprend un enroulement primaire et des premier et second enroulements secondaires. A titre illustratif, l'enroulement primaire et les premier et second enroulements secondaires comportent chacun une borne, (désignée ci-après par le terme "départ") indiquée en A, B et C, respectivement. Le circuit principal de conduction du courant du premier transistor 12 de commande est monté entre une source 16 de tension et le départ A de l'enroulement primaire. Le cir- cuit principal de conduction de courant du second transistor 14 de commande est monté entre un potentiel de référence ou de masse, auquel il est relié par l'intermédiaire d'une diode 20, et le départ B du premier secondaire du transfor- mateur 18. La diode 20 est montée de manière à permettre au courant de circuler vers le départ du secondaire. Les extrémités ou bornes restantes du primaire et du premier secondaire sont connectées en commun, par l'intermédiaire d'un élément 22 de détection de tension/courant, au poten- tiel de masse ou de référence. Comme décrit plus en détail ci-après, les éléments 12' et 14' produisant des signaux de commande réagissent à l'élément 22 de détection. Une seconde partie du circuit, désignée globalement par l'expression "circuit de commutation", est indiquée globalement en 30. Un dispositif 32 de commutation de puis- sance relativement élevée, dont le trajet principal de conduction du courant s'étend entre des bornes 34 et 36, est connecté en montage Darlington à un transistor 38. Le second secondaire du transformateur 18 est connecté au commutateur Darlington, le départ C étant relié à l'émet- teur du transistor 32 (ainsi qu'à la borne 36) et l'autre extrémité restante du second secondaire étant connectée à la base du transistor 38. Une dérivation unidirectionnelle de courant est constituée par une diode 40 et une résistance 42 montées entre le départ C et la base du transistor 38 en connexion commune avec l'autre extrémité du second secondaire. Les principes du fonctionnement et les avantages du circuit de commande à couplage magnétique selon l'inven- tion ressortiront mieux d'une description portant sur les états de fonctionnement du circuit. Dans le premier état de fonctionnement, indiqué ci-après par l'expression "état I" la tension base/émetteur VBE des premier et second transis- tors 12 et 14 de commande, respectivement, est suffisante pour polariser dans le sens croissant les transistors de commande et pour permettre la conduction du courant à tra- vers ces transistors. Un courant croissant(par rapport au temps) I1, dont la constante de temps est une fonction de l'amplitude de l'inductance du circuit magnétique, passe par le transistor 12 de commande vers le départ A du primaire de l'élément magnétique sous l'application d'une tension fournie par la source 16. Une tension est induite dans le premier secondaire de l'élément magnétique et pola- rise la diode 20 en sens inverse de manière qu'aucun courant ne puisse la traverser. Une tension est induite dans le se- cond enroulement secondaire de l'élément magnétique et pola- rise en sens inverse les transistors 32 et 38 de commutation. Un courant relativement faible, qui dépend de la valeur de la résistance 42, circule vers le départ C. Les transistors 32 et 38 de commutation en montage Darlington restent bloqués. Le courant passant dans l'élément magnétique est contrôlé par l'élément 22; lorsque le courant I1 atteint une valeur pré- déterminée, un signal de commande est émis afin de bloquer le transistor 12 de commande, ce qui correspond à l'état II dé- crit ci-après. Dans l'état II, l'énergie emmagasinée dans l'élément magnétique induit dans l'enroulement primaire une tension de polarité opposée à celle de la tension induite lors de l'état I, afin de polariser la diode 20 dans le sens crois- sant et de permettre à un courant I2 de circuler vers le départ B et de passer par l'élément 22 de détection. Dans une forme préférée de réalisation, une tension relativement basse de saturation du transistor 14 et une chute relative- ment faible de la tension de polarisation dans le sens crois- sant de la diode 20 provoquent le blocage, à une valeur basse et correspondante, de la tension induite dans le premier secondaire. Un rapport de transformation dans le sens de l'abaissement, entre le premier secondaire et le second secondaire de l'élément magnétique, a pour effet d'induire dans le second enroulement secondaire de cet élément magné- tique une tension qui est insuffisante pour polariser dans le sens croissant les transistors de commutation et, par consé- quent, ces transistors 32 et 38 restent bloqués. En l'absen- ce d'autres conditions indiquées ci-après, lorsque le courant 12 descend jusqu'à une valeur minimale prédéterminée (détec- tée par l'élément 22 de détection), un signal de commande est produit pour rendre de nouveau conducteur le premier transis- tor 12 de commande tout en maintenant simultanément à l'état bloqué le second transistor 14 de commande. L'état I est alors répété. Le circuit peut alterner de façon périodique entre l'état I et l'état II jusqu'à ce qu'il soit demandé de pou- voir commander les transistors de commutation. L'évolution cyclique entre les états I et II minimise la dissipation de puissance dans le circuit en mode "prêt" ou d'absence de commande. La variation cyclique a pour autre avantage de minimiser la puissance nominale demandée aux éléments cons- tituant le circuit de commande. De plus, une variation déter- minée de l'énergie emmagasinée dans l'élément magnétique, entre des niveaux prédéterminés minimal de "conduction" et maximal de dissipation assure simultanément le maintien constant de la possibilité de conduction/blocage et une minimisation de la dissipation à l'état non conducteur et stable de repos. Un état III comprend la mise en conduction rapide des transistors 32 et 34 de commutation. Pendant la présen- ce de l'un quelconque des états I et II, un signal de commande provoque le blocage simultané des deux transistors 12 et 14 de commande. La quantité d'énergie emmagasinée dans l'élément magnétique est à peu près égale àl,2 LIt2 o L est la valeur de l'inductance de l'enroulement de l'é- lément magnétique et It est le courant circulant dans l'en- roulement de l'élément magnétique au moment o le signal de commande est donné (It varie, comme décrit précédemment, entre des valeurs maximale et minimale prédéterminées lors des états I et II). Le blocage simultané des deux transis- tors 12 et 14 de commande provoque l'ouverture des circuits du primaire et du premier secondaire de l'élément magnétique. L'énergie emmagasinée induit une tension suffisante, dans le second enroulement secondaire, pour donner naissance à un courant 13 de base qui ramène rapidement les transistors 32 et 38 de commutation à l'état saturé, assurant ainsi une mise en conduction rapide de ces transistors. L'état IV comprend le blocage rapide des transistors de commutation. Pour bloquer rapidement les transistors 32 et 38 de commutation, le premier transistor 12 de commande est ramené à l'état conducteur par l'élément 12' de commande. Le courant circulant vers le départ A de l'enroulement primaire de l'élément magnétique induit dans le second enroulement secondaire une tension de polarité opposée à la tension de commande de conduction indiquée précédemment, ce qui engendre un courant suppresseur de base limité uni- quement par la faible impédance de l'élément magnétique et provoquant un blocage rapide des transistors 32 et 38 de -7 commutation. Pour aider l'homme de l'art, un exemple d'une forme de réalisation de l'invention sera décrit ci-après en détail. Exemple Cet exemple donne en détail des paramètres de con- ception d'une forme de réalisation de l'invention. Un cir- cuit de commande à couplage magnétique, sensiblement identi- que au circuit représenté sur la figure décrite ci-dessus, est réalisé pour provoquer une mise en conduction et un blocage rapides de transistors de commutation de puissance. Bien que d'autres formes convenables de réalisation puis- sent comprendre des montages à redresseurs commandés au silicium, à semiconducteurs métal-oxyde à rainuresv(VMOS) et d'autres transistors, des transistors bipolaires de commu- tation de puissance sont connectés en montage Darlington. Les paramètres de conception utilisés correspondent à un courant de base 13 de commande de mise en conduction compris entre 8,0 et 6,0 ampères pour une période maximale TIII de conduction du transistor de commutation d'environ 0,833 milli- secondes (état III). La tension combinée base/émetteur VBE des transistors de commutation en montage Darlington, pendant la conduction, est d'environ 2,0 volts, pour une tension maximale de polarisation inverse d'environ 3,0 volts. L'élément magnétique 18 comprend un transformateur à noyau de fer comportant un enroulement primaire et des premier et second enroulements secondaires. Cet élément magnétique est choisi de manière à avoir une constante de temps (L/R) sensiblement supérieure à la période de conduction T des transistors de commutation. L'inductance du second c enroulement secondaire est déterminée comme étant Lss 'y [VBE (38) + VBE (32)] x T A 13 2 volts x 0,833 x 10 secondes 2,0 ampères 3 5 A- 0,833 millihenry, Un rapport de transformation de 8 à 1 est choisi entre l'enroulement primaire et le second enroulement se- condaire. Par conséquent, la tension maximale de l'enroule- ment primaire, Va, est: Va - tension maximale de polarisation inverse X rapport de transformation - 24 volts. Le rapport de transformation entre l'enroulement primaire et le premier enroulement secondaire est choisi comme étant égal à 1, de sorte que le courant I1 est égal au courant I2* L'inductance des premier et second enroule- ments secondaires est déterminée conformément à la relation 2 2 LA L LB t LC x (rapport de transformation) = 0,8 mH x (8) - 53,3 millihenry. Un rapport de transformation de 8 à lest choisi entre l'enroulement primaire et le second enroulement secondaire. La tension maximale de l'enroulement primaire, VAMAx, est donc VA - tension maximale de polarisation inverse x rapport de transformation VAMAX. ' 24 volts. Le rapport de transformation entre l'enroulement primaire et le premier enroulement secondaire est choisi comme étant égal à 1. Le courant 1 est donc à peu près égal au courant I2 et I1 minimal est à peu près égal à I2 minimal, lui même égal à 13 max = l ampère Les inductances LA et LB de l'enroulement primaire et du premier enroulement secondaire sont déterminées comme étant: LA 1 LB LC x (rapport de transformation)2 ô- 53, 3 millihenry La durée de l'état 1, dans lequel les transistors de commande 12 et 14 sont polarisés dans le sens croissant afin de conduire, est déterminée comme étant t1 A I1 x LA Va O à I1 = 0,05 ampères t1 = 0, 111 millisecondes La durée de l'état II, dans lequel le transistor 12 de commande est bloqué, est déterminée comme étant: tii = A 12I x LB -c VBE (14)+VD (20) o A I2 = a I, = 0,05 ampère et VBE (14) + VD (20), =B D les chutes de tension aux bornes du transistor conducteur 14 ede ladiode 20 étant d'environ 2,0 volts: t ii 0,05 A x 53,3 mH = 1,33 millisecondes 2,0 volts A la détermination de la durée de l'état IV, à la fin de l'état III, 13 est descendu à 6,0 ampères; le transistor 12 est revenu à l'état conducteur et I1 a pris comme valeur initiale: A 1 '-= 1,0 A -0,75 A = 0, 25 A et t 'AI à XL IV A I1 X LA VA tIv " 0,25 A x 53,3 mH 24 volts tIV = 0,555 millisecondes Le coefficient maximum d'utilisation est donc déterminé comme étant de: TI Coefficient d'utilisation = T II+I - 60 % TIII + TIV Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au circuit décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 1 0 R E V E N D I C A T I O N S 1. Circuit de commande à couplage magnétique pour la commande à basse puissance de dispositifs de commu- tation parcourus par un courant important, le circuit de commande étant caractérisé en ce qu'il comporte un élément magnétique (18) comprenant un enroulement primaire et des premier et second enroulements secondaires, des premier et second transistors(12,14) de commande, le premier transis- tor (12) de commande étant monté entre une source (16) de tension et une entrée(A)de l'enroulement primaire de l'élé- ment magnétique,et le second transistor (14) de commande étant monté entre une entrée(B)du premier enroulement se- condaire de l'élément magnétique et la masse, chacun de ces transistors étant soumis indépendamment à l'action de si- gnaux individuels (12',14') de commande, une diode (20) étant montée entre le second transistor de commande et l'entrée du premier enroulement secondaire de l'élément magnétique, un élément (22) de détection de courant étant monté entre des bornes communes de l'enroulement primaire et du premier en- roulement secondaire de l'élément magnétique et la masse, cet élément de détection transmettant un signal de commande au premier transistor de commande afin de rendre ce dernier non-conducteur lors de la détection d'un courant maximal prédéterminé dans l'enroulement primaire de l'élément magné-, tique, et afin de rendre conducteur ledit premier transis- tor de commande lors de la détection d'un courant minimal prédéterminé, le circuit comprenant également un dispositif (30) de commutation à courant important, comprenant au moins un transistor (38) de commutation dont la base et l'émetteur sont connectés au second enroulement secondaire de l'élément magnétique afin que les premier et second transistors de commande, lorsqu'ils recoivent simultanément un signal de commande de blocage, transmettent au dispositif de commuta- tion un signal de commande ayant une amplitude suffisante pour rendre ce dispositif sensiblement conducteur. 2. Circuit de commutation à couplage magnétique destiné à la commutation à grande vitesse de dispositifs de commutation à puissance relativement élevée, ces disposi- tifs étant isolés d'un circuit de commande dissipatif à faible puissance, le circuit de commutation étant caractéri- sé en ce qu'il comporte un élément magnétique (18) de cou- plage comprenant un enroulement primaire et des premier et second enroulements secondaires, des premier et second tran- sistors (12,14) de commande réagissant chacun de manière in- dépendante à des premier et second signaux (12', 14') de commande respectivement, le circuit principal de conduction de courant du premier transistor (12) de commande étant monté entre une source (16) d'alimentation et une première borne (A)de l'enroulement primaire de l'élément magnétique de couplage, le circuit principal de conduction de courant du second transistor (14) de commande étant monté entre un potentiel de référence et une borne(B)du premier enroulement secondaire de l'élément magnétique, une diode (20) étant montée entre le second transistor de commande et la borne du premier enroulement secondaire, le circuit comprenant également un élément (22) de détection de courant monté entre un potentiel de référence et une borne commune de l'enroulement primaire et du premier enroulement secondaire de l'élément magnétique, et au moins un dispositif de com- mutation à puissance relativement élevée dont la base est montée de manière à recevoir un signal de commande du se- cond enroulement secondaire de l'élément magnétique de façon que, en réponse à un signal de commande résultant du blocage simultané des deux transistors de commande, un si- gnal de mise en conduction, d'amplitude suffisante et com- prenant de l'énergie emmagasinée dans l'élément magnétique soit appliqué à la base du dispositif de commutation pour le rendre pratiquement conducteur. 3. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de commutation comprend deux transistors(32,38) de commutation en montage Darlington ainsi que des éléments (40,42) de dérivation de courant permettant une circulation unidirectionnelle du courant entre les bornes du second enroulement secondaire de l'élé- ment magnétique. 4. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément magnétique comprend un trans- formateur (18) à noyau de fer dont le rapport de transforma- tion de l'enroulement primaire au premier enroulement secondaire est égal à 1 et dont le rapport de transfor- mation de l'enroulement primaire au second enroulement secondaire est environ égal à 8. 5. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les transistors de commutation comprennent des transistors bipolaires et en ce que ledit signal de com- mande est produit en réponse à un niveau minimal et prédé- terminé de courant et à un niveau maximal de courant déter- miné par ledit moyen de détection de courant de manière que, en réponse au courant minimal, un signal de commande de mise en conduction soit appliqué à la base des premier et second transistors de commande et que, en réponse au courant maximal, un signal de commande de blocage soit ap- pliqué à la base du second transistor de commande. 6. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément magnétique présente une constante de temps qui est sensiblement supérieure à la durée d'une pé- riode de conduction des transistors de commutation. 7. Circuit de commutation à couplage magnétique pour rendre conducteurs et bloqués rapidement des transis- tors (32,38) de commutation à puissance relativement élevée, caractérisé en ce qu'il comporte un élément magnétique (18) comprenant un enroulement primaire et des premier et second enroulements secondaires, le rapport de transformation de l'enroulement primaire au second enroulement secondaire de cet élément magnétique étant égal environ à 8 et le rapport de transformation de l'enroulement primaire au premier enroule- ment secondaire étant égal environ à 1, ledit élément magné- tique présentant en outre une constante de temps L/R sensible- ment supérieure à la durée d'une période de conduction des transistors de commutation, le circuit comprenant également des premier et second transistors (12,14) de commande à puis- sance relativement faible, réagissant indépendamment l'un de l'autre à des premier et second signaux (12', 14') de commande, respectivement, le circuit principal de conduction de courant du premier transistor (12) de commande étant monté entre une source (16) d'alimentation et une première borne(A)de l'enrou- lement primaire et la base de ce transistor (12) étant con- nectée de manière à recevoir un signal (12') de commande, le circuit principal de conduction de courant du second transis- tor (14) de commande étant monté entre un potentiel de réfé- rence et une borne (B) du premier enroulement secondaire et la base de ce second transistor étant connectée de manière à recevoir un signal (14') de commandeet une diode (20) étant montée entre le second transistor de commande et la borne du premier enroulement secondaire, le circuit comprenant éga- lement un élément (22) de détection de courant monté entre un potentiel de référence et une borne commune de l'enroule- ment primaire et du premier enroulement secondaire de l'élé- ment magnétique, cet élément de détection de courant réagis- sant au courant circulant dans l'enroulement primaire et le premier enroulement secondaire de l'élément magnétique de manière que, en réponse à un courant maximal prédéterminé un signal de commande soit produit afin de bloquer le premier transistor de commande et que, en réponse à un courant mini- mal prédéterminé, un signal de commande soit produit afin de rendre conducteur le premier transistor de commande, le circuit comprenant en outre au moins un dispositif de commu- tation (32 ou 38) à puissance relativement élevée, qui com- porte une base montée de manière à recevoir un signal de com- mande du second enroulement secondaire de l'élément magnéti- que de façon que, en réponse à un signal de commande résultant du blocage simultané des deux transistors de commande, un signal de commande de conduction, d'amplitude suffisante et constitué par de l'énergie emmagasinée dans l'élément ma- gnétique, soit appliqué à la base du dispositif de commuta- tion afin de le rendre sensiblement conducteur, ce dispositif de commutation, comprenant un ou plusieurs transistors restant à l'état conducteur pendant une période de temps Tc qui est inférieure à la constante de temps de l'élément magnétique.