Brevet FR2535551A1 — publié le 19840504

DISPOSITIF DE COMMUTATION ELECTRONIQUE A FAIBLE DISSIPATION DE PUISSANCE ___________-_______________________________ La présente invention se rapportesà un dispositif de commutation électronique comportant en guise d'élément-de commutation un transistor de puissance commande par un étage de commande, avec un circuit commutateur de décharge qui pré- sente un circuit série constitué d'un condensateur et d'une diode de même sens de polarité par rapport audit transistor de puissance, ainsi qu'un trajet de décharge qui contourne la jonction collecteur-émetteur du transistor de puissance et présente une résistance de décharge du condensateur et un tran- sistor de décharge commandé directement en même temps que le- dit transistor de puissance, le circuit série comprenant le condensateur et la diode étant connecté en parallèle sur la jonction collecteurémetteur du transistor de puissance,ledit dispositif comportant éventuellement une diode non commandée de polarité inversée par rapport au sens de conduction du transistor de puissance. Dans un dispositif de commutation connu de ce type, la résistance de décharge est un transformateur qui est monté en parallèle avec le condensateur en étant branché en série avec le transistor de décharge Afin que le condensateur, lors du déclenchement du transistor de puis- sance, puisse provoquer par une charge lente la commutation de décharge souhaitée, il doit être déchargé ava nt cette commutation. Il est cependant soumis à une tension après ladite commutation. Par conséquent, il doit être de nouveau déchargé avant la commutation suivante Cettedécharae est assurée lors de l'enclenchement du transistor de puissance parl'intermé- diaire du transformateur et de la jonction collecteur-émetteur du transistor de décharge De ce fait, le courant de décuiarge ne circule pas, comme dans d'autres cas connus, en suivant le trajet de commutation (jonction collecteur-émetteur) du transis- tor de puissance, ce qui fait que ce trajet de commutation ne subit pas la contrainte supplémentaire du courant de décharge, et que la dissipation de puissance du transistor de puissance est maintenue faible La tension secondaire du transformateur est de nouveau appliquée à la- source de tension de service afin d'éviter dans une large mesure des pertes d'énergie par la décharge du condensateur. L'invention a pour objet de proposer un dispositif de commutation du type précité, dans lequel les pertes sont ré- duites davantage encore. Conformément à l'invention, cet objet est atteint par le fait que le courant de décharge du condensateur passe par la jonction base-émetteur du transistor de puissance. Dans cette solution, la charge du condensateur est utilisée pour engendrer une forte impulsion de courant de base- lors de l'enclenchement du transistor de puissance, de façon à commander directement et rapidement ce transistor de puissance, et à réduire ainsi la dissipation de puissance de son trajet de commutation Après cette impulsion de courant, l'allure du courant de base coïncide avec le signal normal de commande. Etant donné que l'impulsion de courant d'enclenche- ment devrait sinon être prélevée d'une autre source d'énergie, l'utilisation de la charge du condensateur permet d'obtenir une économie d'énergie dans le circuit de commande,donc un ren- dement global plus élevé moyennant un montage plus simple. Dans une forme de réalisation particulièrement avan- tageuse, la jonction base-émetteur de transistor de puissance se trouve sur le trajet de décharge du condensateur En particu- lier,la jonction collecteur-émetteur du transistor de décharge peut être intercalée entre la base et le collecteur du tran- sistor de puissance et la résistance de décharge peut être 25355 '1 une résistance ohmique Dans ce cas, la charge du condensa- teur peut être directement utilisée comme courant de base et un transformateur coûteux peut devenir superflu. En outre, le transistor de puissance peut être branché dans un montage de Darlington avec un transistor de commande, en particulier pour de grandes tensions, la résis- tance de décharge pouvant être directement reliée au collec- teur de ce transistor de commande et, par l'intermédiaire d'une diode polarisée dans le sens de la conduction du tran- sistor de commande, au collecteur du transistor de puissance. Dans ces conditions, le transistor de commande forme simul- tanément le transistor de décharge du condensateur, tandis que la diode, polarisée dans le sens de la conduction de ce transistor de commande et intercalée entre les collecteurs des deux transistors, évite d'une part une décharge du conden- sateur par l'intermédiaire du transistor de puissance et, d'autre part, maintient un flux de courant passant par le transistor de commande lorsque la décharge du condensateur est achev(bavant la fin du signal de commande d'enclenchement. Dans ce cas également, le courant de décharge du condensateur forme au moins une partie du courant de base du transistor de commande, qui fait augmenter plus encore le courant de base au stade initial, si bien que le transistor de puissance est commandé directement de manière rapide. Ensuite, le transistor de puissance peut être com- mandé, en fonction de la condition de charge du condensateur de façon à ne pouvoir être déclenché que lorsque le condensateur est déchargé Il est ainsi garanti que le condensateur sera, d'une manière sûre, suffisamment déchargé avant le déclenchement du transistor de puissance. La tension du condensateur peut alors être appliquée à l'une des entrées d'un comparateur et une-tension de réfé- rence peut-être appliquée à l'autre entrée, le signal délivré à l'entrée de commande du transistor de puissance pouvant être dérivé d'une combinaison OU du signal de sortie du comparateur et d'un signal de commande du transistor de puissance Ensuite, lorsque le signal de commande d'enclenchement disparaît en vue du déclenchement du transistor de puissance avant que le con- densateur soit déchargé, le transistor de puissance demeure conducteur jusqu'à ce que ledit condensateur soit suffisamment déchargé Par conséquent, il n'est pas nécessaire de maintenir le signal de commande d'enclenchement jusqu'à ce que le con- densateur soit suffisamment déchargé Il suffit au contraire d'une courte impulsion de commande d'enclenchement Cependant, le transistor de puissance conserve sa condition de conduction jusqu'à ce que la décharge soit suffisante On peut de la sorte se contenter d'une faible puissance de commande D'autre part, lorsque le temps de décharge du condensateur est plus court que la durée d'une impulsion de commande d'enclen- chement, la condition conductrice du transistor de puissance peut aussi être maintenue jusqu'à la fin de l'impulsion de commande d'enclenchement. L'invention va àprésent être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs, et sur lesquels: la figure 1 représente un premier exemple de réali- sation d'un dispositif de commutation selon l'invention utilisé dans un appareil -utilisateur monophasé; la figure 2 illustre l'exemple de réalisation selon la figure 1 utilisé dans un inverseur biphasé; la figure 3 est un diagramme mettant en évidence l'allure du courant de base du transistor de puissance en fonction du temps; la figure 4 montre un troisième exemple de réalisa- tion d'un dispositif de commutation selon l'invention; la figure 5 illustre un quatrième exemple de réali- sation d'un tel dispositif; et la figure 6 illustre un cinquième exemple de réali- sation de ce dispositif. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 1, l'élé- ment de commutation du dispositif de commutation consiste en un transistor de puissance 1 La base et le collecteur de ce transistor 1 sont respectivement raccordés à l'émetteur et au collecteur d'un transistor de commande 2 dont la base est reliée à une borne de commande 3 Le transistor de puissance 1 est branché en série avec un circuit utilisateur inductif 4 sur lequel une diode non commandée 5 est montée en parallèle Le branchement en série comprenant lecircuit uti- lisateur 4 et le transistor 1 est relié à une source 6 de tension d'alimentation qui engendre une tension continue UB. L'émetteur du transistor de puissance 1 est connecté à une seconde borne de commande 7, les bornes 3 et 7 formant l'entrée de commande des transistors 1 et 2 Des signaux de commande sous la forme d'impulsions carrées délivrées par un étage de commande non représenté sont appliqués aux bornes de commande. Un circuit en série formé d'une diode 10 et d'un condensateur 11 est monté en parallèle sur la jonction col- lecteur-émetteur du transistor de puissance 1, ladite diode étant de même polarité que ce transistor 1 Un trajet de décharge, monté en parallèle au circuit série formé du condensateur 11 et de ia jonction base-émetteur du transistor de puissance 1, comporte une résistance ohmique de décharge 12 en série avec la jonction collecteur-émetteur d'un transistor de décharge 13 La base de ce transistor 13 est reliée à la borne de commande 3 par l'intermédiaire d'une résistance ohmique additionnelle 14. Alors que les transistors conducteurs 1, 2 et 13 sont "coupés" (bloqués) par la suppression d'une impulsion de commande d'enclenchements de l'entrée 3, 7, le condensa- teur il se charge lentement par l'intermédiaire du circuit utili- sateur 4 et de la diode 10 jusqu'à ce-qu'il atteigne la tension de service UB, alors même que le courant du col- lecteur décroît Cette charge se déroule tel- lement lentement que, dès que la tension de charge du condensateur 11 est sensiblement plus faible que la tension de service UB, le courant du collecteur du transistor de puissance 1 a décru jusqu'à zéro et que ledit transistor 1 est intégralement bloqué De ce fait, la puissance convertie durant la période de décroissance du courant du collecteur dans le transistor 1 est considérable- ment plus faible qu'en l'absence du condensateur 11 Sans ce condensateur 11, la tension régnant entre le collecteur et l'émetteur du transistor de puissance 1 augmenterait sans pratiquement aucune temporisation en cas de suppression de l'impulsion de commande d'enclenchement de l'entrée de comman- de 3,7, parce que, par suite de l'inductance de l'utilisateur 4, le courant de consommation serait très rapidement commuté sur la diode non commandée 5 Un accroissement brusque de la tension entre le collecteur et l'émetteur du transistor 1 provoquerait, s'il n'était accompagné de quasiment aucune diminution du courant du collecteur, une forte contrainte correspondante imposée au transistor de puissance 1 Le con- densateur 11 évite cet accroissement brusque de la tension entre le collecteur et l'émetteur dudit transistor 1, et donc une surcharge de ce dernier Cependant, pour que le condensa- teur 11 puisse temporiser par sa charge l'accroissement de la tension, il doit avoir été préalablement déchargé. Cette décharge est assurée lors du désenclenqh Enent du transistor de puissance par une impulsion de commande de déclenchement appliquée à l'entrée 3, 7 Cette impulsion est également trans- mise à la base du transistor de décharge 13, si bien que tous les transistors 1, 2 et 13 sont immédiatement 'déclenché' ( rendus conducteurs) Dans ce cas, le condensateur 11 se décharge, non pas par l'intermédiaire du trajet de commuta- tion du transistor de puissance 1 comme dans les cas connus, mais par l'intermédiaire de la résistance de décharge 12 du transistor de décharge 13 et de la jonction base-émetteur dudit transistor de puissance 1 De la sorte, le courant de décharge s'ajoute au courant de consommation non pas par l'intermédiaire de la jonction collecteur-émétteur du transistor 1, mais grâce à son propre trajet de décharge, c'est-à-dire qu'il n'impose aucune contrainte supplémentaire au trajet de commutation du transistor de puissance 1 Au contraire, ce courant de dé- charge s'ajoute par l'intermédiaire de jonction base- émetteur du transistor 1 De ce fait, et comme le montre la figure 3, le courant IB de la base de ce transistor estde beaucoupplus intense au début de l'impulsion de commande de déclenchement pendant la décharge du condensateur Cette impulsion initiale de courant de base assure une commutation directe rapide du transistor de puissance 1, et donc une ré- duction de ses pertes En outre, la puissance de commande de l'étage de commande peut être réduite de façon correspondante. La figure 2 représente un autre exemple d'application du dispositif de commutation selon la figure 1 dans un inver- seur biphasé Dans ce cas, les deux transistors de puissance 1 sont "déclenchés" alternativement par l'intermédiaire des bornes de commande 3, 7, ce qui fait que le courant de consommation circule alternativement à travers l'utilisateur 4, avec un changement de sens alternatif, à partir des sources 6 de tension de service situées respectivement en haut et en bas Les diodes non commandées 5 sont branchées en parallèle sur la jonction collecteur-émetteur des transistors 1 l Etant donné que, pour empêcher un court-circuit, il ne faut pas que l'un des transistors de puissance soit déclenché immédiatement après le déclenchement de l'autre de ces transistors, l'utilisateur inductif 4 induit après le déclenchement de l'un desdits transistors, par l'intermédiaire de la diode 5 branchée en parallèle avec l'autre transistor, un courant de commande libre ou un courant de retour qui dure jusqu'à ce que ledit autre transistor de puissance soit déclenché (bloqué)-. Dans cet exemple de réalisation, il est également possible de commander les transistors 1 et 2 de telle façon que, lorsque l'un des trajets de commutation est à l'état blorué, l'autre trajet soit "en régime pulsé", c'est-à- dire qu'il soit alternativement enclenché et déclenché avec une plus haute fréquence d'impulsions de commande, de manière à régler la valeur moyenne du courant de consommation Avec une commande de ce type, la charge des condensateurs 11 par l'intermédiaire de trajets de décharge indépendants des trajets de commutation est particulièrement favorable, parce que le condensateur il branché en parallèle avec le transistor de puissance 1 bloqué à l'instant considéré n'accuse aucune inversion de sa charge provoquée par le courant qui circule par la diode 5 montée en parallèle sur ce condensateur 11 Sans la présence du transistor de décharge 13 et lorsque la résistance de décharge 12 est branchée en parallèle sur la diode 10, le condensateur 11 raccordé en parallèle à une diode 5 parcourue par le courant de libre commande serait chargé jusqu'à la chute de la tension de conduction de cette diode 5, c'est-à- dire avec une polarité opposée à celle souhaitée La nouvelle charge en sens inverse jusqu'à la polarité souhaitée devrait alors être assurée par un courant passant par l'autre transistor de puissance venant d'être "pulsé", ce qui augmen- terait notablement les pertes calorifiques de ce dernier. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 4, on a supprimé le transistor supplémentaire de décharge 13 prévu dans les exemples de réalisation précédents A la place, la résistance de décharge 12 est reliée au collecteur du tran- sistor de commande 2 et une diode de découplage 15 est branchée entre les collecteurs des transistors 1 et 2, si bien que le transistor de commande 2 forme-le transistor de déchar- ge du condensateur 11. L'exemple de réalisation selon la figure 5 se dis- tingue de celui de la figure 4 seulement parle fait que l'anode de la diode 10 est raccordée, non pas au collecteur du transistor de puissance 1, mais au collecteur du transis- tor de commande 2 De ce fait, la décharge du condensa- teur 11 par l'intermédiaire du transistor 1 continue d'être bloquà par la diode 15 tandis que, à l'inverse, sa charge c D est également assuré par le montage en série des deux diodes et 15. L'exemple de réalisation selon la figure 6 se diffé- rencie de celui de la figure 1 par le fait que, d'une part, il est prévu à la place du transistor de commande 2 un ampli- ficateur opérationnel ou différentiel 16 faisant fonction de comparateur,dont la sortie est reliée à la base du transistor de décharge 13 et est raccordée par l'intermédiaire d'une- résistance 17 à son entrée (+) non inverseuse L'amplificateur 16 est ainsi bouclé par réaction. Une entrée inverseuse (-) de l'amplificateur 16 reçoit une tension de polarisation égale à environ U/2,U représentant la tension de service de l'amplificateur 16. Dès qu' une tension U appliquée à l'entrée (+) non e inverseuse de l'amplificateur 16 excède la tension U/2 appli- quée à l'entrée inverseuse de cet amplificateur, la tension de sortie U 16 dudit amplificateur 16 varie par à-coups jusqu'a la valeur U En revanche, lorsque la tension Ue appliquée à l'entrée (+) non inverseuse dépasse négativement ladite tension U/2 à l'entrée inverseuse, ladite tension de sortie U 16 de l'amplificateur 16 varie par à-coups jusqu'à zéro D'autre part, la tension Ull appliquée au condensateur 11 est délivrée à l'entrée (+) non inverseuse d'un autre comparateur se présen- tant sous la forme d'un amplificateur opérationnel ou diffé-. rentiel 18,à l'entrée inverseuse (-) duquel est appliquée une tension de référence Uref O Cette tension de référence Uref est choisie égale à la valeur minimale à laquelle le conden- sateur 11 doit se décharger La tension de sortie de cet am- plificateur 18 prend elle aussi soit la valeur U, soit la valeur zéro, selon que la tension Ull du condensateur est supé- rieure ou inférieure à Uref auquel cas Uref est proche de zéro, c'est-àdire considérablement plus petite que U. On admettra que les transistors 1 et 13 sont bloqués, que la tension Ull appliquée au condensateur 11 est plus grande que U ef et qu'il apparaît une tension de commande d'enclenchement Ust égale à U Dans ce cas, la tension de sortie U 18 de l'amplificateur 18 a également la valeur U et la tension Ue à l'entrée (+) non inverseuse de l'amplifi- cateur 16 est égale à 2 U/3 aussi longtemps que la tension de sortie U 16 de cet amplificateur reste égale à zéro Comme Ue est ainsi supérieure à U/2, l'amplificateur 16 bascule, si bien que U 16 devient égale à U Il en résulte que Ue croît également jusqu'à la valeur U et que les transistors 1 et 13 sont commandés directement en même temps Ainsi, le condensateur 11 peut se décharger par l'intermédiaire de la résistance 12, du transistor 13 et de la jonction base-émetteur du transistor de puissance 1 Dès que la tension Ull du con- densateur dépasse négativement la tension de référence Uref, U 18 devient égale à zéro Lorsque la tension de commande Ust appliquée au raccord de commande 3 demeure égale à U, Ue décroît certes jusqu'à 2 U/3, mais reste cependant supérieure à U/2,ce qui fait que U 16 conserve la valeur U et que les deux transistors demeurent conducteurs Ue décroît jusqu'à U/3 seulement lorsque Ust disparaît également (c'est-à-dire devient égale à zéro), si bien que Ue devient inférieure à U/2 et que l'amplificateur 16 revient en arrière par bascule- ment, c'est-à-dire que U 16,et donc aussi Ue, deviennent égales à zéro C'est à cet instant seulement que les deux transistors 1 et 13 sont bloqués et que le condensateur 11 peut de nouveau se charger jusqu'à la tension de service, par l'inter- médiaire de la diode 10 et de l'utilisateur(non représenté sur la figure 6) Dans ce cas, U 1 l excède de nouveau Uref et U 18 prend de nouveau la valeur U. Aussi longtemps (ou bien étant donné) que Ust et U 16 sont encore égales à zéro, Ue augmente seulement jusqu'à U/3, si bien que la tension de polarisation U/2 n'est pas dépassée et que l'amplificateur 16 ne bascule pas U 16 reprend elle aussi la valeur U seulement lorsque Ust réapparaît à son tour (c'est-à-dire prend la valeur U), si bien que les transis- tors 1 et 13 sont de nouveau commandés directement et que le il condensateur 11 se décharge à nouveau S'il advient que Ust disparaît avant que le condensateur Il soit suffisamment déchargé pour que Uil dépasse négativement la valeur Uref' Ue décroît certes jusqu'à 2 U/3, mais demeure toutefois supé- rieure à U/2, de sorte que U 16 reste égale à U et que la décharge du condensateur Il peut se poursuivre jusqu'à une valeur inférieure à U C'est à cet instant seulement que U 16 disparaît et que les transistors 1 et 13 sont de nouveau bloqués Il est ainsi assuré que, indépendamment de la durée du signal considéré U St de commande d'enclenchement égal à U, le condensateur 11 sera au moins déchargé jusqu'à la tension souhaitée U avant que le transistor de décharge 13 soit bloqué D'autre part, le transistor de puissance 1 demeure lui aussi conducteur jusqu'à ce que le condensateur 11 se soitlui aussi au moins déchargé jusqu'à Uref' Lorsque la tension de commande d'enclenchement dure plus longtemps que le processus de décharge, le condensateur il peut se dé- charger encore au-delà de Ure Grâce au fait que le transis- tor de puissance 1 est maintenu conducteur, après la dispari- tion de la tension de commande d'enclenchement, jusqu'à ce que le condensateur 11 se soit déchargé pour redescendre à Uref la contrainte admissible d'enclenchement dudit transistor 1 n'est pas dépassée, même si la décharge devait durer plus longtemps que ladite tension de commande d'enclenchement. D'autre part, il est possible d'utiliser une courte impulsion Ust de commande d'enclenchement qui est de durée moindre que la décharge du condensateur 11 Cependant, le transistor de puissance demeure conducteur jusqu'à ce que ledit condensateur il se soit suffisamment déchargé Cela se traduit par une économie de puissance de commande. Aussi bien le transistor de décharge 13 que le tran- sistor de puissance 1 sont ainsi maintenus conducteurs aussi longtemps que Ul est supérieure à Uref ou que Ust est égale à U, ou bien que les deux conditions sont remplies Un circuit de comparaison selon la figure 6, surveillant la condition de charge du condensateur 11, peut aussi être prévu dans les autres exemples de réalisation. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportéesau dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif de commutation électronique comportant en guise d'élément de commutation un transistor de puissance commandé par un étage de commande, avec un circuit commutateur de décharge qui présente un circuit série constitué d'un condensateur et d'une diode de même sens de polarité que ledit transistor de puissance, ainsi qu'un tra- jet de décharge qui contourne la jonction collecteur-émetteur du transistor de puissance et présente une résistance de décharge du condensateur et un transistor de décharge commandé direc- tement en même temps que ledit transistor de puissance, ledit circuit série comprenant le condensateur et la diode étant connecté en parallèle à la jonction collecteur-émetteur du transistor de puissance, ledit dispositif comportant éventuel- lement une diode non commandée de polarité inversée par rapport au sens de conduction du transistor de puissance, dispositif caractérisé par le fait qu'on fait passer le courant de dé- charge dudit condensateur ( 11) par la jonction base-émetteur du- dit transistor de puissance ( 1). 2 Dispositif de commutation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la jonction base-émetteur du transistor de puissance ( 1) se trouve sur le trajet de dé- charge du condensateur ( 11). 3 Dispositif de commutation selon la reven-. dication lou 2, caractérisé par le fait que la jonction col- lecteur-émetteur du transistor de décharge ( 13) est inter- calée entre le collecteur et la base du transistor de puissance ( 1); et par le fait que la résistance de décharge ( 12) est une résistance ohmique. 4 Dispositif de commutation selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé par le fait que le transistor de puissance est branché dans un montage de Darlington avec un transistor de commande ( 2); et par le fait que la résistance de décharge ( 12) est directement raccordée au collecteur de ce transistor de commande ( 2) et, I 4 par l'intermédiaire d'une diode ( 15) polarisée dans le sens de la conduction dudit transistor de commande ( 2),au collec- teur du transistor de puissance ( 1). Dispositif de commutation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le transistor de puissance ( 1) est commandé,en fonction de la condition de charge du condensateur ( 11),de telle sorte que ce transistor de puissance ( 1) ne puisse être déclenché que lorsque ledit condensateur est déchargé - 6 Dispositif de commutation selon la revendication , caractérisé par le fait que la tension (Ull) du condensa- teur ( 11) est appliquée à l'une (+) des entrées d'un compa- rateur ( 18) et une tension de référence (Uref) est appliquée à l'autre entrée, le signal (U 16) délivré à l'entrée de commande du transistor de puissance ( 1) étant dérivé d'une combinaison OU du signal (U 18) de sortie du comparateur et d'un signal de commande (Ust) du transistor de puissance ( 1).