Brevet FR2542948A1 — publié le 19840921

La présente invention concerne la commande en commuta- tion des transistors de puissance à des fréquences élevées, par exemple dans la gamme de 10 à 100 k Hz, qui permettent de choisir librement le rapport cyclique de conduction et de coupure du transistor de puissance Etant donné un signal d'ordre de commutation S (figure 1 A) susceptible de passer d'un premier état ou état "off" à un deuxième état ou état "on" selon que l'on souhaite qu'un transis- tor de puissance à commander soit bloqué ou conducteur, il est connu que, si l'on souhaite que les commutations d'un état à l'au- tre du transistor de puissance soient très rapides, il faut que le signal de base ait l'allure représentée en figure 1 B Comme le montre la figure 1 B, le courant de base IB vers le transistor de puissance doit être d'une première polarité (par exemple IB 1 positif dans le cas o le transistor de puissance est un tran- sistor NPN) quand l'on veut que ce transistor conduise, puis à l'instant o le signal d'ordre S passe de son état "on" à son état "off", il ne suffit pas d'interrompre le courant de base IB, mais il faut extraire du transistor de puissance un courant d'une seconde polarité (IB 2 négatif dans le cas d'un transistor NPN) jusqu'à ce que les charges stockées dans ce transistor soient éliminees. A priori, pour atteindre ce but, il faut disposer de deux sources d'alimentation de polarités opposées Ceci constitue un inconvénient évident et l'on a cherché à réaliser des circuits de commande de base du type pouvant fournir des courants de base positif et négatif à partir d'une source de tension unique Pour atteindre ce résultat, on a proposé d'utiliser des circuits dans lesquels l'une des sources, celle devant fournir le bref courant de base négatif, est remplacée par un condensateur ou une induc- tance Toutefois, ces circuits souffrent d'un inconvénient impor- tant: pour que le condensateur ou l'inductance soit suffisament chargé, il faut que l'instant de coupure soit précédé d'une période de charge non nulle Si la durée de conduction précédant l'instant de coupure est inférieure à ce temps de charge, le cir- cuit ne fonctionne pas de façon satisfaisante On ne pourra donc pas avec ce type de circuit réaliser des convertisseurs ou des alimentations à découpage ayant des rapports cycliques largement variables Un autre inconvénient de ces circuits à condensateur ou i inductance est que ces composants sont difficilement intégrables et donc que ces circuits peuvent difficilement être réalisés sous forme entièrement intégrée. Ainsi, la présente invention prévoit un circuit de comu- mande de base pour transistor de puissance qui comprenne une seule - source d'alimentation et dont le rapport cyclique puisse être lar- gement variable. Pour atteindre ce résultat, la présente invention propo- se l'utilisation d'un pont inverseur commandé pour appliquer al- ternativement des signaux de base de polarités opposées à un tran- sistor de puissance en réponse aux changements d'état d'un signal d'ordre de commutation. Dans la technique antérieure, on n'a pas utilisé d'in- verseur en pont pour la commande de base de transistors de puis- sance devant fonctionner à des fréquences élevées, par exemple de l'ordre de 10 à 100 k Hz Ceci est dû au fait que les montages d'inverseur en pont classiques sont commandés de sorte que les inversions de courant ne sont pas immédiates et des chemins para- sites de conduction peuvent se créer lors des commutations. Ainsi, la présente invention prévoit un type de pont particulier et un mode de commande particulier de ce pont pour permettre la commande de base d'un transistor de la façon indiquée précédemment. Le circuit de commande de base de transistor de puissan- ce selon la présente invention permet, quand un signal d'ordre de commutation est dans unpremier état, d'appliquer au transistor de puissance un courant de base d'une première polarité pour que le transistor de puissance soit conducteur, puis, quand ce signal d'ordre passe du premier état à un deuxième état, d'appliquer au transistor de puissance un courant de base d'une seconde polarité pour le bloquer rapidement Ce circuit de commande est alimenté par une source de tension unique Le courant de base de la première polarité est fourni par une première source de courant connectée, d'une part, à la source d'alimentation, d'autre part à la base du transistor de puissance dont l'émetteur est relié à un premier transistor interrupteur Le courant de base de la seconde polarité est fourni par une deuxième source de courant connectée, d'une part, à la source d'alimentation, d'autre part, à l'émetteur du transistor de puissance dont la base est reliée à un deuxième transistor interrupteur Le premier transistor interrupteur est en série avec le circuit de polarisation de la première source de courant Le deuxième transistor interrupteur est en série avec le circuit de polarisation de la deuxième source de courant Le deuxième transistor interrupteur reçoit le signal d'ordre de com- mutation et est connecté au premier transistor interrupteur 'pour que leurs états soient complémentaires. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers et faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures l A et 1 B décrites précédemment indiquent les signaux reçus et à fournir par un circuit de commande de base de transistor de puissance; la figure 2 représente de façon très schématique une commande par pont inverseur d'un transistor de puissance et est destinée à illustrer le problème posé et résolu par la présente invention; la figure 3 représente un circuit constituant un mode de réalisation fondamental de la présente invention; et la figure 4 représente une variante de réalisation de la présente invention comportant également des composants supplé- mentaires pour atteindre d'autres fonctions que celles déjà réali- sées par le circuit de la figure 3. Tous les exemples suivants seront donnés dans le cas ou le transistor de puissance à commander est du type NPN. Ainsi, la figure 2 représente un transistor de puissance T, qui est généralement constitué d'une association de deux tran- sistors en montage Darlington comme le montre le double trait au niveau du collecteur dans la représentation de la figure Le cir- cuit de commande est connecté entre des bornes d'alimentation 1 et 2, la borne 1 étant par exemple à la masse et la borne 2 à un potentiel positif Vcc Quatre transistors Tl à T 4 sont connectés en pont Quand les interrupteurs constitués par les transistors T 4 et T 3 sont fermés alors que les interrupteurs constitués par les transistors Tl et T 2 sont ouverts, un courant IB 1 circule de la source d'alimentation Vcc par le transistor T 4 vers la base puis l'émetteur du transistor T en direction de la massé (borne 1) par l'intermédiaire du transistor T 3 Dans cet état, on dira qu'un courant positif IB 1 est appliqué à la base du transistor de puissance et celui-ci est conducteur Quand les interrupteurs correspondant aux transistors Tl et T 2 sont fermés alors que les interrupteurs correspondant aux transistors T 3 et-T 4 sont ouverts, un courant circule depuis l'alimentation Vcc par l'interrupteur T 2, l'émetteur du transistor T, la base de ce transistor et l'interrupteur Tl vers la masse Le courant circule de l'émetteur vers la base dans le transistor de puissance On dit qu'un courant négatif IB 2 est appliqué à la base. Une difficulté d'emploi de tels montages en pont réside dans le fait que pour l'application à la commande de base d'un transistor de puissance à fréquence élevée, il convient que les transitions d'une branche de conduction à l'autre soient extrêmement rapides Par exemple, elles doivent être nettement inférieures à la microseconde si la fréquence de fonctionnement envisagée est de l'ordre de 50 k Hz (période 20 microsecondes). Ainsi, il faut d'une part passer très rapidement de la fermeture des transistors Tl et T 2 à celle des transistors T 3 et T 4 et inversement D'autre part il faut éviter de passer par une phase de fermeture ou d'ouverture simultanée qui pourrait entraîner une destruction du transistor de puissance qui est particulièrement sensible quand il ne reçoit pas de courant de base En outre, si par exemple les transistors T 2 et T 3 ou les transistors Tl et T 4 se trouvent fermés simultanément, un courant important va cir- culer dans le circuit de commande de base lui-même, ce courant de courtcircuit entraînant des pertes importantes Rappelons pour fixer des ordres de grandeur que le courant de base à appliquer au transistor principal peut être de quelques ampères. La figure 3 représente de façon simplifiée un mode de réalisation de la présente invention Le circuit de commande de base est connecté aux bornes 1 et 2 d'une source d'alimentation unique, la borne 1 étant à la masse et la borne 2 à un potentiel +Vcc Les transistors Tl et T 3 sont des transistors NPN et les transistors T 2 et T 4 sont des transistors PNP. Le transistor Tl reçoit sur sa base le signal d'ordre de commutation S qui varie entre un état haut assurant la mise en conduction du transistor Tl et un état bas assurant la coupure de ce transistor L'émetteur du transistor Tl est connecté à la borne 1 et son collecteur est relié à la base du transistor de puissance T par l'intermédiaire d'une diode Dl polarisée de façon à per- mettre la circulation d'un courant depuis la base vers la masse par l'intermédiaire du transistor Tl. Le transistor T 3 a sa base connectée au collecteur du transistor Tl par l'intermédiaire d'une résistance Rl, son émetteur relié à la masse et son collecteur relié à l'émetteur du transistor principal T. Les transistors T 2 et T 4 sont connectés en sources de courant La base du transistor T 2 est reliée au potentiel d'alimentation Vcc par une résistance R 2, et au collecteur du transistor T 1 par une résistance R 3 L'émetteur du transistor T 2 est relié à la tension d'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance R 4 et son collecteur à l'émetteur du transistor de puissance T La base du transistor T 4 est reliée au potentiel d'alimentation Vcc par une résistance R 5 et au collecteur du tran- sistor T 3 par une résistance R 6 L'émetteur du transistor T 4 est relié au potentiel d'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance R 7 tandis que le collecteur de ce transistor T 4 est relié i la base du transistor T Les résistances R 4 et R 7 sont de faible valeur, par exemple de l'ordre de l'ohm, de façon à laisser passer sans dissipation excessive un courant de commande de base positif ou négatif vers le transistor de puissance T. Un aspect important de la présente invention réside dans le fait que les transistors T 2 et T 4 sont montés en source de courant Ceci présente au moins deux avantages Le premier est que des transistors dans une telle configuration peuvent être choisis pour fonctionner dans leur régime linéaire (non saturé) et alors, comme cela est bien connu, ils sont commutables à l'ouverture beaucoup plus rapidement que s'ils étaient à l'état sature Un autre avantage est que les valeurs des courants dans les tran- sistors T 2 et T 4 ne dépendent que des valeurs des résistances de polarisation et d'émetteur de ces transistors; ainsi, si les résistances R 4 et R 7 sont égales et de l'ordre de l'ohm, les résistances R 3 et R 6 également égales et de l'ordre de la centaine d'ohms, on pourra choisir les valeurs relatives des courants de base positif et négatif par le choix des valeurs des résistances R 2 et R 5 Ainsi, si l'on souhaite que le courant de base négatif IB 2 qui circule par le transistor T 2 soit quatre fois plus intense que le courant de base positif I 1 B qui circule par le transistor T 4, il suffit de choisir R 2 sensiblement quatre fois supérieur à R 5. Pour que le circuit de commande de base décrit précédemment fonctionne de façon satisfaisante, il faut que le transistor T 3 soit nettement plus sensible que le transistor T 2. Pour expliquer le fonctionnement du circuit selon l'invention, on considérera d'abord le cas oe le signal d'ordre de commutation S sur la base du transistor Tl est à bas niveau Ce transistor est alors bloqué Etant donné les valeurs choisies pour les résistances de polarisation R 2, R 3 et RI ainsi que les sensibilités différentes des transistors T 2 et T 3, le transistor T 2 est bloqué et le transistor T 3 conduit Du fait de cette con- duction, la polarisation de la base du transistor T 4 est telle que ce transistor conduit également Il circule alors un courant-de base positif IB 1 depuis la borne 2, par la résistance R 7, le tran- sistor T 4 et la jonction base/émetteur du transistor de puissance T, vers la borne de masse 1 par l'intermédiaire du transistor T 3. Le transistor de puissance T est alors conducteur Quand à l'instant tl (voir figures l A et 1 B), le signal d'ordre S à l'entrée du transistor T passe à haut niveau, ce transistor devient conducteur Le transistor T 3 se bloque et le transistor T 4 qui se trouve dans un régime non saturé se bloque également très rapidement tandis que le transistor T 2 devient conducteur Il cir- cule alors un courant IB 2 depuis la borne 2 par la résistance R 4 et le transistor T 2 vers la jonction émetteur/base du transistor de puissance T, puis par la diode Dl et le transistor Tl vers la borne de masse 1 Comme le montre la figure l B, ce courant se maintient pendant une courte durée tl-t 2, puis décroît rapidement vers zéro tandis que la jonction émetteur/base du transistor T devient bloquante du fait que les charges stockées dans la base du transistor de puissance sont éliminées Ensuite, à l'instant t 3, le signal d'ordre S revient à bas niveau, et l'on revient à l'état précédent, le transistor Tl se bloquant ce qui entraîne le blocage très rapide du transistor T 2 connecté en source de courant et la mise en conduction des transistors T 3 et T 4. La figure 4 reprend le schéma électrique de la figure 3 en y apportant quelques modifications pour en améliorer le fonctionnement. Les seuls éléments supprimés par rapport à la figure 3 sont les résistances d'émetteur R 4 et R 7 des transistors T 2 et T 4 qui sont remplacées par une résistance unique R 8 disposée entre la source d'alimentation Vcc et une borne commune aux émetteurs des transistors T 2 et T 4 Cette modification a pour but d'agencer les transistors T 2 et T 4 dans un montage du type bascule qui rend encore plus incompatible leur conduction simultanée. Un condensateur Cl est placé en parallèle avec la résistance RI reliée à la base du transistor T 3 Ceci a pour but d'introduire dans la base du transistor T 3 au moment des cotn- mutations du transistor Tl une surintensité positive ou négative destinée à accélérer la mise en conduction ou le blocage du tran- sistor T 3. Un condensateur C 2 est disposé en parallèle sur la résistance de polarisation R 6 du transistor T 4 Ce condensateur a pour but d'accélérer également la conduction et le blocage de ce transistor, mais aussi de provoquer une surintensité dans le courant de base positif IB 1 lors de la fermeture du transistor T 4. Cette surintensité correspond à la portion de courbe en pointillés indiquée en figure l B, par exemple à l'instant t 3. Une diode Schottky D 2 et une diode de redressement D 3 connectées entre la base et le collecteur du transistor T de la façon représentée servent de circuit d'anti-saturation pour ce transistor de puissance De même, une diode Schottky D 4 disposée entre la base et le collecteur du transistor T 2 sert à protéger ce transistor contre une saturation éventuelle On peut aussi prévoir une diode D 5 en parallèle sur la résistance R 8 si l'on souhaite faire fonctionner le circuit sans limitation du courant de base négatif IB 2. Le mode de réalisation détaillé décrit ci-dessus en re- lation avec les figures 3 et 4 ne constitue qu'un exemple de réa- lisation de la présente inventidn Il est clair que, par exemple dans le cas d'une réalisation sous forme de circuit intégré, de nombreux éléments de circuit seront modifiés Par exemple, un mon- tage en source de courant, dans une réalisation en circuit inté- gré, comprendra moins de résistances que cela n'est représenté On utilisera plutôt des transistors de polarisation et de charge, éventuellement montés en diodes, éventuellement associés à des mi- roirs de courant fixant les intensités choisies, les surfaces de ces différents transistors étant choisies selon des rapports de- termines. A titre d'exemple pratique de réalisation, on pourra choisir comme composants du circuit de la figure 4, pour commander un Darlington de type BUV 54, les éléments suivants: résistances: RI = 1,5 kohms R 2 = 120 ohms R 3 = 120 ohms R 5 = 33 ohms R 6 = 180 ohms R 8 = 1 ohm condensateurs C 1 = 10 nanofarads C 2 = 220 nanofarads transistors T 1, T 3: BDX 53 T 2: BDX 54 T 4: BD 242 Avec ces valeurs, le courant IB 1 est de l'ordre de 0,5 A alors que le courant IB 2 est, à son maximum, de l'ordre de 2 A. -2542948 REVENDICATIONS. 1 Circuit de commande de base d'un transistor de puissance pour, quand un signal d'ordre de commutation (S) est dans un premier état, appliquer au transistor de puissance un cou- rant de base (IBD) d'une première polarité pour que ce transistor de puissance soit conducteur, puis, quand ce signal d'ordre passe du premier état à un deuxième état, appliquer au transistor de puissance un courant de base de polarité inverse (IB 2) pour blo- quer rapidement le transistor de puissance, ce circuit de commande étant aliments par une source de tension unique (Vcc), caractérisé en ce que: le courant de base d'une première polarité I Bi est fourni par une première source de courant (R 5, R 6, R 7, T 4) connectée à la base du transistor de puissance (T) dont l'émetteur est relié à un premier transistor interrupteur (T 3), le courant de base d'une seconde polarité IB 2 est fourni par une deuxième source de courant (R 2, R 3, R 4, T 2) connec- tée à l'émetteur du transistor de puissance (T) dont la base est reliée à un deuxieme transistor interrupteur (Tl), le premier transistor interrupteur (T 3) est en série avec le circuit de polarisation (R 5, R 6) de-la première source de courant, le deuxième transistor interrupteur (Tl) est en série avec le circuit de polarisation (R 2, R 3) de la deuxième source de courant, le deuxième transistor interrupteur (Tl) reçoit le signal d'ordre (S) et est connecté au premier transistor interrup- teur (T 3) pour que leurs états soient complémentaires. 2 Circuit de commande de base selon la revendication 1, dans lequel le transistor de puissance est du type NPN, caractérisé en ce que les premier et second transistors interrup- teurs sont de type NPN et en ce que les première et seconde sour- ces de courant comprennent des transistors de type PNP. 3 Circuit de commande de base selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des sources de courant comprend un transistor PNP dont l'émetteur est relié à la tension d'alimentation positive, dont le collecteur est relié à l'une des bornes de base ou d'émetteur du transistor de puissance, et dont la base est reliée à la tension d'alimentation par une premiere résistance (respectivement R 2 et R 5) et au collecteur du tran- sistor interrupteur correspondant par une deuxième résistance (respectivement R 3 et R 6). 4 Circuit de commande de base selon la revendication 2, caractérisé en ce que la base du premier transistor interrupteur (T 3) est reliée au collecteur du second transistor interrupteur (T 1) par l'intermédiaire d'un circuit parallèle résistance/capacité (Rl-Cl). 5 Circuit de commande de base selon la revendication 3, caractérisé en ce que la base du transistor PNP (T 4) de la premiere source de courant est reliée au collecteur du premier transistor interrupteur (T 3) par l'intermédiaire du montage en parallèle d'une résistance (R 6) et d'un condensateur (C 2). 6 Circuit de commande de base selon la revendication 3, caractérisé en ce que les émetteurs des transistors PNP (T 2 et T 4) des première et deuxième sources de courant sont interconnectés et relies à la borne d'alimentation positive (Vcc) par l'intermédiai- re d'une même résistance (R 8).