Brevet FR2509930A1 — publié le 19830121

La présente invention concerne un circuit de pilotage par impulsions et plus précisément mais non exclusivement, un circuit de pilotage par impulsions con- venant au pilotage d'un circuit à pont de transistors à effet de champ du type métal-oxyde-semi-conducteur MOS, permettant la formation d'un circuit convertisseur ou d'un amplificateur de puissance de classe D. La réalisation d'un amplificateur linéaire de puissance de classe D (c'est-àdire modulé par impulsions de largeur variable), sensible à des impulsions dont la durée varie entre un temps indéfini et quelques centaines de nanosecondes, donnant en même temps un isolement suffi- sant entre les signaux d'entrée et de sortie, est difficile. L'utilisation des techniques simples à transformateur pré- sente l'inconvénient de faire varier le niveau du signal de pilotage avec le coefficient d'utilisation des impulsions. Le rendement de pilotage est alors réduit lorsqu'un ampli- ficateur de puissance à pont de transistors à effet de champ du type métal-oxyde-semi-conducteur MOS est piloté par un tel arrangement, car les transistors ne sont pas toujours pilotés à leur tension optimale permettant l'obten- tion d'une faible résistance à l'état conducteur En outre, un pilotage par des techniques simples à transformateur ne présente pas obligatoirement une faible fréquence de cou- pure. L'utilisation des dispositifs de pilotage à iso- lateur opto-électronique ou optron ne présente pas les incon- vénients précités mais présente l'inconvénient de réduire la réponse aux fréquences très élevées et de nécessiter une alimentation isolée séparée. L'invention concerne un circuit perfectionné de pilotage dans lequel certains au moins des inconvénients précités sont supprimés. Plus précisément, l'invention concerne un cir- cuit de pilotage par impulsions ayant une première entrée d'un signal pulsé, une seconde entrée d'un signal d'horloge à haute fréquence, un circuit logique monté entre la pre- mière et la seconde entrée et destiné à former un signal combiné de sortie ayant la forme d'une fréquence d'horloge modulée par le signal pulsé, et un dispositif de comparai- son ayant une entrée reliée à la sortie du signal combiné et une autre entrée reliée à la seconde entrée du circuit, le dispositif de comparaison étant réalisé afin qu'il ne soit pas sensible aux composantes communes du signal d'hor- loge et qu'il transmette un signal de sortie qui est re- présentatif du signal pulsé. Le dispositif de comparaison est de préférence couplé à la sortie du signal combiné par un transformateur. La seconde entrée peut être couplée au dispositif de comparaison par un transformateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un schéma électrique d'un cir- cuit de pilotage par impulsions réalisé selon l'invention; la figure 2 est un diagramme des temps repré- sentant des signaux observés en différents points du cir- cuit de la figure 1; les figures 3 a et 3 b représentent des circuits de préparation d'impulsions destinés au circuit de la fi- gure 1; la figure 4 est un schéma électrique en partie sous forme synoptique d'un amplificateur de puissance com- prenant un circuit convertisseur alimenté en tension et piloté par le circuit de pilotage par impulsions de la fi- gure 1; et la figure 5 est un schéma électrique en partie sous forme de diagramme synoptique d'un amplificateur de puissance comprenant un convertisseur alimenté en courant et piloté par le circuit de pilotage par impulsions de la figure 1. La figure 2 représente, par les courbes A à K, différentes formes d'ondes observées dans le circuit de la figure 1 Le circuit de pilotage de la figure 1 comprend quatre circuits intégrés IC 1, IC 2, IC 3 et IC 4 Les circuits IC 1 et IC 3 sont des circuits métal-oxyde-semi-conducteur complémentaires CMOS de type MM 74 C 86 comprenant chacun quatre portes OU exclusives Les circuits IC 2 et IC 4 sont des circuits MOS du type DS 0026 CG comprenant chacun deux amplificateurs inverseurs L'une des portes OU exclusif - I Clc a une première entrée reliée à une ligne A d'alimenta- tion négative et son autre entrée est polarisée, par l'inter- médiaire d'une résistance R 2, par la tension de la ligne A+ d'alimentation positive et est reliée à une entrée 3 de signaux d'horloge du circuit Le signal d'horloge est une forme d'onde rectangulaire A telle que représenté sur la f i- gure 2 et sa fréquence n'est pas essentielle et elle peut être par exemple comprise entre 10 k Hz et 5 M Hz Le signal de sortie de la porte I Clc est une réplique du signal d'hor- loge et il parvient à une première entrée de chacune des deux portes OU exclusif I Cla et I Clb L'autre entrée de la porte I Cla est reliée par une résistance Rl à la ligne A+ d'alimentation positive et éventuellement à une entrée 2 qui constitue une entrée de détection Celle-ci transmet un signal qui peut être choisi à un niveau logique " O " (comme représenté par la forme d'onde D) ou " 1 " Le signal de sortie de la porte I Cla est une donc une forme d'onde d'horloge telle que-représentée par la forme d'onde E de la figure 2 lorsque le signal de l'entrée de détection est un "O" ou est une forme d'onde inversée d'horloge lorsque ce signal est un " 1 ". L'autre entrée de la porte I Clb est reliée à la ligne A+ d'alimentation positive par une résistance R 3 ainsi qu'à une entrée 4 d'une forme d'onde B de pilotage par impulsions La forme d'onde de sortie de la porte I Clb est représentée par la courbe C de la figure 2 et a la combinaison de la forme d'onde d'horloge et de la forme d'onde de pilotage par impulsions Les signaux de sortie des deux portes I Cla et I Clb sont acheminés par un circuit capacitif et résistif C 1/R 4 et C 2/R 5, des amplificateurs inverseurs IC 2 a et IC 2 b et des condensateurs C 3 et C 4 aux primaires des transformateurs TI et T 2 respectivement Les secondaires des transformateurs ont chacun un circuit redresseur en pont BR 1, BR 2 dont les signaux continus de sortie sont combinés et forment une alimentation continue isolée B+, B d'un circuit différentiel de pilotage. Les secondaires des transformateurs sont aussi reliés à des entrées différentes d'un comparateur formé par un circuit OU exclusif IC 3 a, par l'intermédiaire de résistances R 6 et R 7 respectivement, si- bien que les deux signaux d'entrée sont des versions transformées des formes d'ondes E et C et la porte transmet à sa sortie une forme d'onde F Celle-ci est une réplique de la forme d'onde B de pilotage par impulsions Lorsque le signal de détection est à l'état logique " 1 ", la forme d'onde est inversée comme représenté par la forme d'onde G La tension de por- teuse auxsecondaires Tl et T 2 détermine la tension de pilo- tage qui reste pratiquement indépendante de la forme d'onde de pilotage Les impulsions de pilotage allant d'une durée indéfinie à 400 nanosecondes peuvent ainsi être obtenues. Le signal de sortie de la porte IC 3 a est transmis par une résistance R 8 à une première entrée de chacune de deux portes OU exclusif IC 3 b et IC 3 c La résistance forme, avec la capacité d'entrée des deux portes, un filtre passe-bas qui lisse le signal et supprime les parasites dues aux er- reurs de propagation si bien qu'elle transmet la forme d'onde H ou I L'autre entrée de la porte IC 3 b est reliée par une-résistance R 9 à la ligne d'alimentation B+ et l'au- tre entrée de la porte IC 3 c est reliée à la ligne d'alimen- tation B- Les formes d'onde de sortie des deux portes IC 3 b et IC 3 c dans le cas de la forme d'onde H, sont représen- tées par les courbes J et K respectivement, et on peut noter qu'elles constituent des formes d'onde différentielles. Les états différentiels sont inversés dans le cas de la forme d'onde I. Les signaux de sortie des portes IC 3 b et IC 3 c sont couplés par des circuits résistifs et capacitifs Rl O/C 6 et R 1 l/C 7 et des amplificateurs inverseurs IC 4 a et IC 4 b à des lignes de sortie différentielles 6 et 7 respectivement. Ainsi, le signal prélevé entre les lignes 6 et 7 est une forme d'onde différentielle représentative de la forme d'onde de pilotage par impulsions à l'entrée 4 et elle est directe ou inversée suivant que le signal de l'entrée de détection 2 est un "O" ou un " 1 " Le signal de l'entrée 4 et le signal de sortie 6-7 sont isolés étant donné la pré- sence des transformateurs Tl et T 2 et l'utilisation des alimentations séparées A+/A et B+/B-, et l'amplitude du signal de sortie ne dépend pratiquement pas de la fré- quence de pilotage par impulsions Le circuit a des applica- tionsdans les cas qui nécessitent des pilotages par im- pulsions isolées de largeur variable et bien régulées, par exemple dans les configurations d'alimentation de puissance à mode commuté ainsi que dans les circuits convertisseurs continus et onduleurs et les amplificateurs de puissance, et il a une application immédiate dans les étages de sortie des émetteurs sonar de classe D On peut utiliser, à la place d'un pilotage par une horloge externe, une horloge interne qui peut être formée à l'aide d'un élément non uti- lisé du circuit intégré IC 1 afin qu'un oscillateur soit formé. Dans certains cas, il est-souhaitable qu'il existe un retard différent de commutation lors du passage d'un état différentiel à l'autre, par rapport à la commutation dans le sens opposé Un exemple de tel comportement est celui des applications de commutation dans 'lesquelles le circuit de pilotage doit alimenter les commutateurs dans lesquels une condition de recouvrement doit être évitée (par exemple un circuit inverseur en pont alimenté en ten- sion) ou doit être au contraire garantie (par exemple un circuit inverseur en pont alimenté en courant) comme décrit précédemment Dans ces conditions, les circuits des figures 3 a et 3 b peuvent être utilisés selon la transition qui doit être retardés La figure 3 a correspond à un retard de la transition à l'état conducteur et la figure 3 b à un retard en sens inverse Dans ces circtuits, la résistance -09930 R 8 comporte en dérivation un circuit comportant une diode et une résistance montées en série En conséquence, dans le cas de la figure 3 a, un court retard apparaît dans l'im- pulsion allant vers les valeurs positives lorsque la diode D est polarisée dans le sens direct, si bien que la résis- tance R 8 a est alors connectée en parallèle à la-résistance R 8 et provoque une réduction efficace de la résistance du circuit Dans le cas d'une impulsion allant vers les valeurs négatives, la diode est polarisée en inverse et la résis- tance du circuit est pratiquement égale à la valeur de la résistance R 8. On considère maintenant une application parti- culièrement avantageuse de l'invention en référence aux fi- gures 4 et 5 qui représentent des circuits de pilotage de puissance comprenant un circuit convertisseur et redresseur en pont piloté par les circuits de pilotage décrit précé- demment La figure 4 représente un convertisseur alimenté en tension, comprenant quatre commutateurs à semi-conducteur 11, 12, 13 et 14, par exemple des commutateurs à thyristors ou à transistors à effet de champ MOS Les commutateurs 11 et 12 sont montés en série entre les lignes d'alimentation positive et négative de même que les commutateurs 13 et 14. Les connexions des commutateurs 11 et 12 d'une part et 13 et 14 d'autre part sont reliées par le primaire d'un trans- formateur T 3 Chaque commutateur 11 à 14 a une entrée de pilotage à une tension différentielle, transmise par les sorties 6 et 7 d'un circuit différent de pilotage tel que représenté sur la figure 1 Dans une variante la partie du circuit de la figure 1 qui suit les transformateurs Tl et T 2 peut être répétée quatre fois, les transformateurs Tl et T 2 ayant alors quatre enroulements secondaires, un sur chaque circuit suivant, et le circuit placé en amont des transforma- teurs est commun si bien que le coût global du circuit de pilotage est réduit dans cette application Les tensions différentielles de pilotage transmises auxcommutateurs sont telles que les commutateurs il et 14 conduisent lorsque les commutateurs 12 et 13 ne conduisent pas et inversement. Le secondaire du transformateur T 3 est couplé par un redresseur 15 à des sorties 16 et 17, transmettant une réplique de puissance élevée de la forme d'onde de pilotage de tension Un tel signal de sortie de puissance peut commander par exemple un transducteur de sonar Le circuit de pilotage utilisé avec le circuit de la figure 4 comprend de préférence le circuit de la figure 3 afin que tout risque de conduction simultanée des commutateurs 11/14 et 12/13 soit supprimé. Le circuit de la figure 5 est identique à celui de la figure 4, à l'exception de la ligne d'alimentation positive qui comprend une self L, c'est-à-dire que le cir- cuit convertisseur est alimenté en courant Lorsqu'un tel circuit est utilisé, le circuit de pilotage de la figure 1 comprend de préférence le circuit de la figure 3 b afin qu'il existe un recouvrement des périodes de conduction des commutateurs 11/14 et 12/13, si bien que la création de pointes de tension est ainsi évitée. Il faut noter que les circuits des figures 4 et 5 peuvent être utilisés sans les redresseurs et peuvent être pilotés par les circuits 1 de pilotage qui reçoivent une forme d'onde pulsée répétitive, par exemple une onde rectangulaire, lors de la formation d'un circuit convertis- seur qui constitue une source isolée de courant alternatif. Cet arrangement entre dans le cadre de l'invention Une utilisation convenable de signaux de détection permet l'inversion du signal de sortie du convertisseur, sans que des composants supplémentaires soient nécessaires. REVENDICATIONS 1 Circuit de pilotage par impulsions, caractérisé en ce qu'il comprend une première entrée ( 4) d'un signal pulsé, une seconde entrée ( 3) d'un signal d'horloge à haute fréquence, un circuit logique (IC 1, IC 2) relié à la pre- mière et à la seconde entrée et destinées à transmettre un signal combiné de sortie ayant la forme de la fréquence d'horloge modulée par le signal pulsé, et un comparateur (IC 3 a) dont une entrée est reliée à-la sortie du signal combiné et dont une autre entrée est reliée à la seconde entrée du circuit, le comparateur étant réalisé afin qu'il ne soit pas sensible aux composantes communes du signal d'horloge et transmette un signal de sortie qui est repré- sentatif du signal pulsé. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'un signal à une fré- quence d'horloge, relié à la seconde entrée ( 3) et destiné à former un signal d'horloge créé automatiquement. 3 Circuit selon l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce que le comparateur (IC 3 a) reçoit le signal combiné de sortie par l'intermédiaire d'un transformateur de couplage (T 2). 4 Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que là seconde entrée ( 3) est reliée au comparateur par l'in- termédiaire d'un transformateur (Ti). Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit logique (ICI, IC 2) comporte une porte OU exclusif (I Clb) ayant une pre- mière entrée destinée à recevoir le signal pulsé, une se- conde entrée destinée à recevoir le signal à la fréquence d'horloge, et une sortie du signal combiné - 6 Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde entrée ( 3) est reliée à une première entrée d'une porte OU exclusif (I Cla) dont la seconde entrée reçoit un signal de commande, la valeur logique de ce signal déterminant si le signal de sortie de la porte OU exclusif est direct ou inversé. 7 Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal de sortie du comparateur (I Cla) est relié à une première entrée de cha- cune de deux portes OU exclusif (I Clb, I Clc) dont l'une a son autre entrée reliée à une ligne d'alimentation con- tinue si bien que les deux portes OU exclusif transmettent des signaux différentiels de pilotage. 8 Circuit selon la revendication 7 et l'une des revendications 3 et 4, prises ensemble, caractérisé en ce que le transformateur ou chaque transformateur (T 1, T 2) a son secondaire qui est relié à un circuit redresseur en pont (BR 1, BR 2) destiné à former l'alimentation continue, celle- ci étant isolée en courant alternatif du circuit précédent. 9 Circuit selon l'une des revendication 7 et 8, caractérisé en ce que le signal de sortie du comparateur (IC 3 a) est relié à l'entrée de deux portes OU exclusif (IC 3 b, IC 3 c) par une résistance (R 8) destinée à former, avec la capacité d'entrée des portes OU exclusif, un filtre passebas qui empêche le passage des parasites dus aux erreurs de propagation. Circuit selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la sortie du comparateur (IC 3 a) est reliée à la l'entrée des deux portes OU exclusif (IC 3 b, IC 3 c) par un circuit à retard destiné à augmenter le retard de déclenchement des deux portes OU exclusif entre un premier et un second état, mais non en sens inverse. 11 Circuit selon la revendication 10, caractérisé en ce que le circuit à retard comporte une résistance (R 8 a) montée en série avec une diode (D), l'arrangement série étant monté en parallèle avec une autre résistance (R 8). 12 Circuit convertisseur, caractérisé en ce qu'il comprend quatre commutateurs à semi-conducteur ( 11, 14) montés en pont avec le primaire d'un transformateur (T 3) dont le secondaire transmet un signal de sortie du conver- tisseur, les commutateurs à semi-conducteur étant commandés par le signal de sortie d'un circuit de pilotage par impul- sions selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13 Circuit convertisseur, caractérisé en ce qu'il comprend quatre commutateurs à semi-conducteur ( 11-14) mon- tés en pont avec le primaire d'un transformateur (T 3) dont le secondaire transmet le signal de sortie du convertisseur, l'amplificateur ayant un circuit de pilotage selon la re- vendication 3 considérée seule ou avec l'une quelconque des revendications 4 à 11, les quatres comparateurs séparés (IC 3 a) et les circuits placés en aval recevant chacun le signal combiné par l'intermédiaire d'un second différent du transformateur de couplage (T 2), et les commutateurs à semi-conducteur ( 11-14) sont commandés chacun par le signal de sortie d'un comparateur différent. 14 Circuit convertisseur selon l'une des revendica- tions 12 et 13, caractérisé en ce que les commutateurs à semi-conducteur ( 11-14) sont des transistors à effet de champ du type métal-oxyde-semi-conducteur. Circuit convertisseur selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend des circuits de pilotage selon l'une des revendications 10 et 11, et le circuit en pont à une configuration alimentée en tension, le circuit à retard étant destiné à retarder la transition de mise à l'état conducteur des commutateurs ( 11-14) afin que ceux-ci ne puissent pas conduire simultané- ment. 16 Circuit convertisseur selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend des circuits de pilotage selon l'une des revendications 10 et 11, et le circuit en pont a une configuration alimentée en courant, le circuit à retard étant destiné à retarder la transition à l'état non conducteur du commutateurs ( 11-14) afin que les commutateurs ne soient pas simultanément tous - à l'état non conducteur. 17 Amplificateur de puissance de classe D, caracté- risé en ce qu'il comprend un circuit convertisseur selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, le signal de sortie du convertisseur étant transmis par un circuit redres- seur à une sortie sous forme d'impulsions continues de puis- sance, en fonction d'impulsions d'entrée transmises à la première entrée du circuit de pilotage par impulsions.