Brevet FR2542148A1 — publié le 19840907

CIRCUIT DE COMMANDE D'UN DISPOSITIF A SEMI-CONDUCTEUR SENSIBLE DU TYPE THYRISTOR OU TRIAC, AVEC IMPEDANCE D'ASSIS- TANCE A L'AUTO-ALLUMAGE ET SON APPLICATION A LA REALISATION D'UN MONTAGE COMMUTATEUR ASSOCIANT UN THYRISTOR SENSIBLE A UN THYRISTOR MOINS SENSIBLE. L'invention se rapporte à la commande de tout dispositif à semiconducteur auto-allumable et blocable, ou commandable en puissance, par l'établissement d'un court-circuit entre deux régions du semi-conducteur. Elle concerne plus particulièrement, mais non exclusive- ment, la commande d'un thyristor sensible, et son applica- tion à la constitution d'un dispositif bi-directionnel uti- lisé en relais statique. On sait que, dans cette application, les thyristors tradi- tionnels, qui s'allument et se bloquent par injection de fronts raides de courant de gâchette de signe approprié, ont une tenue en tension et en courant qui peut être insuf- fisante dans le cas o l'on recherche une grande sensibilité de commande. Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé, dans la demande de brevet français déposée le 25 11 82 par le Centre National de la Recherche Scientifique, pour: "Structure de thyristor à allumage intrinsèque et son application à la réalisation d'un dispositif bidirectionnel", de réaliser un thyristor ultrasensible auto-allumable à la température ordinaire par l 'effet du courant capacitif dû à la seule variation d V/dt de la tension d'alimentation normalement appliquée entre anode et cathode et de réaliser la commande d'un tel thyristor à allumage intrinsèque en créant un court-circuit entre gâchette et cathode inhibant la faculté d'auto-allumage, et en supprimant ce court-circuit pour pro- voquer l'auto-allumage au passage par zéro, par valeurs- croissantes, de la tension d'alimentation Ladite demande de brevet propose de réaliser ce court-circuit au moyen d'un transistor à effet de champ dont la grille est polarisée, à partir du secteur, par un montage redresseur, et de le sup- primer au moyen d'un photo-transistor court-circuitant ladite polarisation de grille lorsquuil est activé par un signal lumineux O La demande de brevet français déposée le 2511 82 par la TELEMECANIQUE ELECTRIQUE pour "Circuit de commande d'un dis- positif à semi-conducteur auto-allumable et blocable, ou commandable en puissance, par l'établissement d'un court- circuit entre deux régions du semi-conducteur' propose un circuit de commande amélioré dans lequel la grille du tran- sistor à effet de champ est autopolarisée à partir de l'anode du thyristor à commander, par une résistance de valeur appropriée Ce circuit de commande est très simple et assure l'isolement galvanique de la commandes sans pour autant comporter le risque de provoquer un blocage du courant au cours d'alternances de conduction du thyristor, ce qui produirait des parasites dangereux. Un inconvénient des dispositifs susvisés est que le thyris- tor à allumage intrinsèque présente des difficultés majeures de réalisation inhérentes au principe même de son fonction- nement. Il est, en effet, très difficile de réaliser de façon repro- ductible des thyristors suffisamment sensibles pour s'auto- allumer pratiquement au passage par zéro de la tension du réseau En effet le courant de déplacement Cd V/dt a une -3- efficacité très réduite en ce qui concerne le déclenchement de l'auto-allumage, en raison du fait que, d'une part, il est uniformément réparti sur toute la surface de la jonction centrale du thyristor, si bien que sa densité est réduite et que, d'autre part, il décroit de façon hyperbolique à partir du zéro de tension, à cause de la variation en l/Vn avec kn des deux transistors NPN et PNP qu'elle comporte se conser- vent à très bas niveau de courant Une telle réalisation doit être difficilement reproductible Il convient de souli- gner d'autre part que l'hypersensibilité recherchée aux variations d V/dt va dans le sens contraire de l'obtention d'une bonne tenue aux variations d V/dt parasites. L'invention propose de s'affranchir de cet inconvénient au moyen d'un circuit de commande agencé pour assister l'auto- allumage ou pour déclencher l'allumage et permettre ainsi d'obtenir le déclenchement même avec un thyristor sensible disponible sur le marché. Le circuit de commande suivant l'invention comporte des moyens interrupteurs aptes à établir un court-circuit gâchette-cathode sur la structure sensible à semi- conducteur à commander sous l'action d'une commande exté- rieure et est caractérisé par une impédance d'assistance à l'auto-allumage reliant le pôle positif du circuit à sa sor- tie de commande de gâchette. Suivant un premier mode de réalisation, ladite impédance est une résistance-et lesdits moyens interrupteurs sont consti- tués par un transistor à effet de champ dont la grille est polarisée par une autre résistance à partir dudit pôle posi- tif. -4- Suivant un second mode de réalisation, ladite impédance est un condensateur. L'invention a encore pour objet l'app 1 ication d'un circuit de commande du genre susvisé à la réalisation d'un montage commutateur utilisant un ou plusieurs thyristors à gâchette amplificatrice et associant un thyristor sensible dit pilote" à un thyristor de puissance dit 'principal'. Suivant cet aspect de l'invention, les deux thyristors étant reliés en parallèle, avec la gâchette du second connectée à la cathode du premier, le premier est déclenché par une impédance, de préférence une résistance, connectée entre la borne d'anode commune et sa propre gâchette, tandis que deux organes interrupteurs, de préférence des transistors à effet de champ, assurent le court-circuit de blocage entre les deux gâchettes respectives et la borne de cathode commune, ces deux interrupteurs étant couplés entre eux de façon à être commandés simultanément. Les diverses particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la des- cription ci-après. Au dessin annexé la figure 1 est un schéma de principe d'un circuit de commande d'une structure simple à semi-conducteur sensible conforme à un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 représente le mode d'exécution d'un tel circuit dans le cas o la structure à commander est bi-directionnelle; les figures 3 et 4 représentent deux circuits de com- mande à semi-conducteur, respectivement d'un dispo- sitif à deux thyristors et d'un triac, conformes à un second mode de réalisation de l'invention; et - la figure 5 représente un montage du type à gâchette amplificatrice conforme à l'invention. A la figure 1, on a représenté par un rectangle SC un dispositif à semiconducteur apte à être bloqué par un court-circuit appliqué entre sa gâchette Ga et sa cathode K. Ce dispositif est alimenté par la tension alternative du secteur 220 V 50 E Dz, appliquée entre son anode A et sa cathode K L'organe de commande, apte à établir un court- circuit entre Ga et K, est lui-même alimenté par le secteur entre A et K, c'est-à-dire que l'ensemble du montage est bipolaire Cet organe comprend essentiellement un transis- tor NOS à canal N désigné par la référence M, une diode Zener Z, une résistance RG, un phototransistor Ph-T r activé par un signal lumineux de commande ce phototransistor constituera de préférence la sortie d'un photocoupleur La diode Z joue un rôle de protection du transistor MOS et a, par exemple, une tension de Zener d'environ 10 V La résis- tance RG permet l'auto-polarisation de la grille du transis- tor MOS à partir du point chaud (+) du circuit de sortie. Lorsque le photocoupleur est activé, cette polarisation de grille est court-circuitée, si bien que le transistor-MOS est bloqué Par contre, lorsque le photocoupleur n'est pas activé, la grille du MOS se polarise et; dès que la tension V devient supérieure à la tension V de seuil du transis- VGS th tor MOS, ce dernier se comporte comme un court-circuit de plus en plus franc. A titre d'exemple, RG pourra avoir une valeur de l'ordre de 1 Mn. Suivant la particularité essentielle du montage décrit, une résistance supplémentaire R Ga de forte valeur, par exemple de l'ordre de 1 M Q, relie l'anode à la gâchette de SC, qui est un thyristor sensible ordinaire Il en résulte que, dès que le signal lumineux de commande est appliqué, donc que le transistor MOS est bloqué, il s'établit un faible courant de gâchette de SC Au moment du passage par zéro par valeurs croissantes de la tension d'alimentation, ce micro-courant auxiliaire initialise l'allumage de SC, tandis que le 254214 a -6- courant de déplacement dans SC favorise l Dextension de l'allumage à toute la surface de la jonction centrale de SC. Le courant de gâchette auxiliaire cro 2 t d&ailleurs en même temps que la tension d'alimentation,, ce qui tend à conpenser -5 la décroissance hyperbolique du courant de déplacement. On notera qu'un transistor VIOS de modèle courant pourra sans difficulté écouler sans chute de tension notable le courant fourni par -Ga D même lorsque celui-ci atteint sa valeur de crête de 300 p A correspondant à 1 M 52 sous 223 V eff. Il convient de faire observer que, en cas d'allumage du thy- ristor sur un circuit de charge très inductif g pour lequel le courant monte très lentement, le courant d'assistance, du fait qu'il est croissant avec la tension tant que le thyris- tor n'est pas complètement allumé, fournit une assistance de plus en plus grande à l'allumage, ce qui supprime le risque de "décrochage" du thyristor La valeur de R Ga Peut se cal- culer si l'on redonne un seuil d'allumage Va pour le thyris- tor On peut en effet montrer que &Qa Va 2/2 VR Ga àA Qa étant la quantité de charges accumulée, depuis le passage à zéro de la tension d'alimentation, dans la base de la portion NPN du thyristor, quantité imposée pour un thyristor donné, V étant l'amplitude de la tension d'alimentation, etw sa pulsation. Dans le montage de la figure 2, on a représenté un dispo- sitif bi-directionnel composé de deux structures de thyris- tor montées "tête-bêche', A 1, K 1 et A 2 e K 2, dont chacune est commandée par un circuit du même type que celui de la figure 1. R Gal et R Ga 2 représentent les résistances d'assistance à l'autoallumage, qui jouent le même rôle que R Ga de la figure 1. Dans le dispositif bi-directionnel de la figure 3, compor- tant deux thyristors Th 1 et Th 2 montés tête-bêche, des -7- condensateurs C 1 et C 2 relient les anodes respectives A 1 et A 2 aux gâchettes respectives G 1 et G F tandis que celles-ci sont reliées aux cathodes respectives K 1 et K 2 par des interrupteurs respectifs I et 12 * Si l'on considère l'un quelconque des deux thyristors de ce montage, soit Th,, lorsque l'interrupteur Il est ouvert, dès l'établissement de la tension en Ai, un courant i = Cld V/dt est injecté dans la gâchette de Thil, L'amorçage se produit dès que ce courant devient suffisant, donc après chaque passage par zéro par valeurs croissantes de la tension d'alimentation Lorsque Il est fermé, le courant Cî d V/dt est détourné de la jonction gâchette-cathode et, le potentiel de la gâchette étant sensiblement le même que celui de la cathode, le thyristor ne peut plus s'amorcer. On notera qu'au moment de la première mise en conduction, le courant de décharge ne peut dépasser C 1 d V/dt, donc il est faible et la mise en série avec le condensateur d'une résis- tance de limitation de ce courant est inutile. Pendant la période de blocage, en cas de parasite en d V/dt, le courant circule à travers la résistance interne de I et, par conséquent, la protection du thyristor contre un allu- mage intempestif provenant de Cl est parfaitement assurée, à condition toutefois que cette résistance interne soit beaucoup plus faible que la résistance d'accès à la jonction centrale du thyristor Par exemple, pour un d V/dt de 1000 V/ps et pour C 1 = C 2 = 100 p F, l'interrupteur zen court-circuit devra écouler un courant de 100 m A, tout en gardant une tension maximum à ses bornes de 0,2 V, ce qui impose une résistance statique de 2 Q pour le transistor MOS à l'état conducteur Il faut noter, par ailleurs, que l'interrupteur doit très rapidement établir cette valeur de résistance, car cela doit se faire avant l'allumage du thyristor, qui sera relativement rapide lorsqu'il est déclenché par le courant fourni par une capacité. Le dispositif fonctionnera correctement avec des thyristors sensibles Avec des thyristors ordinaires, le condensateur 8 - d'assistance devrait avoir une valeur importante et, par conséquent, le courant de fuite qui circulerait dans le dis- positif et dans la charge à l'état bloqué serait trop impor- tant. Le montage à triac représenté à la figure 4 fonctionne de la même façon. On notera que, par rapport aux montages à résistance d'as- sistance, le montage à condensateur d'assistance à l'allu- mage fournit un temps d'allumage plus bref (l'injection de courant dans la gâchette du thyristor étant plus brutale). Dans la mesure o la résistance de l'interrupteur fermé est bien définie et très faible à résistance d'assistance peuvent fonctionner avec un inter- rupteur constitué par un transistor MOS de modèle courant, ce qui est très avantageux dans certaines applications. On pourrait envisager d'utiliser, comme impédance d'assis- tance à l'allumage, un ensemble résistance-capacité en parallèle, pour réaliser un compromis entre les caractéris- tiques des deux types de montages. A la figure 5, on a représenté un montage du type général à gâchette ainplificatrice, associant ici un thyristor sensi- ble Th à un thyristor Th de sensibilité courante, par exemple à structure "mesa" Une résistance R Ga de l M Sl relie le pôle commun d'anode des deux thyristors à la gâchette de Th,, tandis que les gâchettes des deux thyristors sont res- pectivement reliées au pôle commun de cathode par deux interrupteurs I et I 2 couplés entre eux de façon à être ouverts ou fermés simultanément. Ces interrupteurs seront par exemple constitués par des transistors MOS; comme indiqué précédemment lorsqu'ils sont ouverts, un courant de gâchette est injecté dans Ths à travers R Ga et, comme expliqué en se référant à la figure 1, Ths s'amorce Le courant de l'ordre de 100 m A qui circule à 2 5 4 2 1 4 8 travers Th 1 est alors injecté à la gâchette de Th et a une amplitude suffisante pour amorcer Thm Lorsque Thm conduit, Th S est parcouru par un courant très faible. Quand on ferme les deux interrupteurs, aucun des deux 3 thyristors ne peut s'amorcer et un faible courant de fuite circule dans "Ga t I et 12. Il va de soi que diverses modifications pourront être appor- tées aux montages décrits et représentés, en particulier en s'inspirant des variantes proposées dans la seconde demande de brevet susvisée, sans s'écarter de l'esprit de l'inven- tion. Il doit être bien compris que les montages décrits pour- raient être réalisés en circuits intégrés. Revendications de brevet 1 Circuit de commande d'un dispositif ' ei conducteur (SC ou Th AZ Th 2), comportant des moyens interrup- teurs (M ou 11, 12) aptes à établir un court-circuit entre la gâchette et la cathode dudit dispositif sous laction d'une commande extérieure, caractérisé par une impédance d'assistance à l'auto= allumage reliant le p 8 le positif du circuit {A L ou A 2) à sa sortie de commande de gâchette (G 1 ou G 2). 2 Circuit de commande selon la revendication lj caractérisé en ce que ladite impédance est une résistance (R Ga) et lesdits moyens interrupteurs sont constitués par un transistor à effet de champ ( 1) dont la grille est polarisée par une autre résistance (RG) à partir dudit p 8 le positif. 3 Circuit de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite résistance (R Ga) d'assistance à l'auto-allumage à une valeur de l'ordre du mégohm. 4 Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite impédance est un condensateur (c ou Cl, C 2). Montage commutateur faisant application du circuit de commande selon la revendication 1, comportant un thy- ristor pilote sensible (Ths) et un thyristor principal (Thm) reliés en parallèle, avec la gâchette de second connectée à la cathode du premier, caractérisé en ce que, une résistance (R Ga) d'assistance à l'auto-allumage étant connectée entre la borne d'anode com- mune des deux thyristors et la gâchette du premier, deux organes interrupteurs (I 1, I 2) assurent le court-circuit entre les deux gâchettes respectives et la borne de cathode commune, ces deux interrupteurs étant couples entre eux de façon à être commandés simultanément.