Brevet FR2537804A1 — publié le 19840615

CIRCUIT DE COMMANDE DE LA BASE D'UN TRANSISTOR DE PUISSANCE UTILISE EN COMMUTATION A HAUTE TENSION. L'invention se rapporte à la commande de la base d'un transistor de puissance utilisé en commutation à haute tension. Dans les hacheurs et les alimentations à découpage de puis- sance relativement faible, par exemple comprise entre 30 W et 500 W, on utilise couramment un transistor de puissance dont la polarisation collecteur-émetteur Vce est constituée par le secteur alternatif redressé et à la base duquel sont appliquées des impulsions de courant, de fréquence comprise entre 20 et 100 K Hz par exemple Ce transistor fonctionne en régime saturé pendant les impulsions, en régime bloqué dans les intervalles entre impulsions. Pour augmenter la fréquence de commutation, tout en minimisant les pertes et, lorsque le montage comporte une boucle de régulation, pour obtenir une dynamique de régulation satisfaisante, il importe de minimiser le temps de stockage du transistor, ce qui se fait souvent en faisant comporter au dispositif de commande de base un montage à diodes, dit "anti-saturation", qui permet d'obtenir un état quasi saturé du transistor pendant sa conduction. Pour des raisons qui seront expliquées dans la suite, il est par ailleurs souhaitable, dans un tel dispositif de 2 - commande, de prévoir des moyens d'appliquer au transistor une polarisation de base négative pendant le blocage Ce résultat est généralement obtenu en utilisant une source de tension négative. Enfin, l'auto-protection du transistor requiert l'usage de moyens de limitation du courant qui le traverse, donc la comparaison de ce courant à une tension de référence, laquelle est elle-même généralement obtenue au moyen d'une source Lorsque le prélèvement de courant est fait en amont, 1 o au niveau du transformateur d'impulsions, le montage est relativement compliqué. On aboutit finalement à des montages de commande de base en général complexes et l'invention se propose de réaliser un montage simple qui remplisse les trois fonctions, men- tionnées ci-dessus, d'anti-saturation, de génération d'une polarisation de base négative et de limitation du courant, à l'aide d'un petit nombre de composants et sans faire appel à des sources de tension accessoires. Suivant l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un circuit de commande caractérisé en ce qu'il comporte: a) Un premier composant semiconducteur de commutation branché entre l'enroulement secondaire du transformateur d'impulsions-et la base du transistor de puissance; b) Un second et un troisième composants semi-conducteurs montés en bascule à mémoire à désarmement dominant, et dont le troisième assure la commande de conduction dudit premier composant à semi-conducteur de commutation pendant la durée des impulsions de commande, à condition que le second ne soit pas à l'état conducteur, ledit second composant semi-conducteur jouant par ailleurs le rôle d'un comparateur et étant associé à des moyens de prélever une tension représentative du courant débité par le transistor de puissance et de comparer ladite tension à sa tension base-émetteur. -3- c) Un circuit à résistance et capacité, agencé pour fournir une polarisation négative une fois que la capacité a été chargée par le courant des impulsions et associé à un quatrième composant à semi-conducteur agencé pour appli- quer ladite polarisation négative à la base du transistor de puissance pendant lesdits intervalles. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'inven- tion, apparaîtront clairement à la lumière de la description détaillée ci-après. Au dessin annexé la figure i est un schéma de principe d'un circuit de commande de la base d'un transistor de puissance utilisé en commutation à haute tension, conforme à l'invention, la figure 2 représente les formes d'ondes en diffé- rents points du circuit de la figure 1; et la figure 3 représente un mode d'exécution préféré dudit circuit. Les mêmes numéros de référence désignent des composants homologués aux figures 1 et 3. Le circuit représenté comprend un transistor découpeur de puissance T 6 dont il s'agit d'assurer la commande de base, monté entre la borne positive + V et la borne de masse O Ve d'une tension continue appropriée, avec une charge Z reliée à son collecteur et une résistance R 16 de mesure du courant reliée à son émetteur Un réseau d'aide à la commutation Z 6, connu en soi et par exemple constitué d'un condensateur C en série avec une résistance R 19 et d'une diode de D 9 en parallèle sur R 11, figure 3, est branché en parallèle sur le transistor T 6. -4- Les impulsions de commande, de période T, de durée de conduction t 1 et de durée de non conduction t 2, sont appli- quées à un commutateur T monté dans -l'enroulement primaire d'un transformateur TC alimenté par une tension continue Vinx Dans le mode d'exécution préféré de la figure 3, T 1 est un transistor bipolaire dont la base reçoit les impulsions de commande par l'intermédiaire d'un pont constitué de résistances R 1 et R 2; une diode D 2 relie R 1 à ladite base, tandis qu'une diode D 1 relie le collecteur de T 1 au point commun entre R 1 et D 2 Une résistance R 3 est branchée en série avec l'enroulement primaire du transformateur. Le point chaud de l'enroulement secondaire de TC est relié à la base de T 6 par l'intermédiaire d'une diode D 5, d'un com- mutateur T 2 et d'une diode D 6 Une diode D 3 relie le point commun à T et à D' au collecteur de T 6 et, avec D 6, consti- 2 6 66 tue, pour ce dernier transistor, un dispositif d'anti- saturation bien connu en soi. Une résistance R 6 relie la base de T 6 à son émetteur. Entre l'anode de D 6 et le point chaud de l'enroulement secondaire est branché, en parallèle sur l'ensemble D 5 T 2 D 6, un ensemble série constitué par une diode D 4 et une résistance R 4. Le commutateur T 2 est commandé par une bascule B constituant une mémoire RS à R dominant qui reçoit, sur son entrée d'armement S, le front de tension transmis par la diode D et une résistance R et dont l'entrée de désarmement R est reliée à la sortie d'un comparateur COI L'entrée négative de ce dernier reçoit une tension continue de seuil 51 et, à son entrée positive, est appliquée la tension R 16 x IE aux bornes de la résistance R 16 g TE étant le courant d'émetteur de T 6. Une porte ET, désignée P à la figure 1, a sa sortie reliée à l'entrée de commande du commutateur T 2 et ses entrées res- pectivement reliées à la sortie Q de la bascule et à R 7. a 537804 -5- Un comparateur CO 2 a son entrée positive reliée au point de masse de l'enroulement secondaire, tandis qu'à son entrée négative est appliquée une tension continue de seuil -S 2 La sortie de C 02 commande un commutateur T 5, relié à l'anode de D 6 et à la base de T 6 à travers une résistance R 9 et audit point de masse à travers une diode D 8 Un condensateur C 2 relie la borne de R 17 non connectée à l'enroulement secondaire à la cathode de la diode D 8. Dans le mode d'exécution préféré de la figure 3, les commu- tateurs T 2 et T 5 sont constitués par des transistors bipo- laires et les comparateurs C Ol et C 02, respectivement par un transistor T 3 (bipolaire ou MOS) et par le transistor T 5, qui joue donc le double rôle de comparateur -et de 1 S commutateur Le seuil SI, qui correspond à la tension VBE de T 3, est comparé à une tension définie par le pont CTN, R 13, R 14, R 15, R 16, dans lequel R 13 est une résistance ajustable et CTN est une résistance à coefficient de température négatif, choisie pour compenser les variations de la tension VBE avec la température. Un condensateur C 1 relie la borne commune à R 13, R 14, R 15, R 16 à la borne O Ve tandis que la base de T 3 est reliée à celle du transistor T 5 par l'intermédiaire d'une résistance R 12, d'un condensateur C 3 et de l'ensemble parallèle constitué par une résistance R 18 et un condensateur C 4 f dont le point commun avec C 3 est relié au point de masse de l'enroulement secondaire. Le seuil 52 correspond à la tension VBE du transistor T 5. La bascule B de la figure 1 est, à la figure 3, constituée par les deux transistors T 3 et T 4 rebouclés par la résistance RI, tandis que la porte P est constituée par T 4 et des résistances R 7 et R 5, R 8, branchées comme illustré à la figure 3. A la figure 2, on a représenté: la tension V 1 aux bornes de l'enroulement primaire; la tension V 2 = VI 2 aux bornes ns de l'enroulement secondaire; le courant IB 1 dans la base de 25378 O 4 T 6; le courant I dans le collecteur de T 6 et la tension VB de base de T 6 La première période t 1 + t 2 représentée correspond à un fonctionnement normal; la deuxième période correspond à un fonctionnement en auto-protection. Le fonctionnement normal est le suivant: Au début de l'intervalle de temps t 1, la tension V 2 apparait aux bornes de l'enroulement secondaire et, par conséquent, la bascule B (figure 1) est positionnée à 1 La sortie de la porte P est donc à 1 et le commutateur T 2 se ferme Le dispositif anti-saturation applique alors un courant IB 1 dans la base de T 6 de façon à obtenir, comme cela est connu -en soi, le maintien de T 6 à l'état quasi-saturé Le courant 12 charge C 2, par R 17, D 8, à une tension -Vp de blocage qui servira à polariser la base de T 6 en inverse pendant l'intervalle de temps t 2 On observe, à cause de cette charge, une pointe du courant IB 1 au début de l'intervalle t 1 (figure 2). Cette pointe de courant accélère la mise en conduction de T 6. La sortie du comparateur CO 2 est à zéro et, par conséquent, le commutateur T est ouvert. A la fin de l'intervalle tl, la tension V 2 s'annule avant de s'inverser et, par conséquent, la sortie de la porte P passe à O et le commutateur T 2 s'ouvre. Le courant I 2, donc la tension aux bornes de R 17, s'inverse, ce qui fait passer la sortie du comparateur CO 2 à 1. Il en résulte que le commutateur T 5 se ferme. Le transistor T 6 est à l'état bloqué et sa base est pola- risée négativement par la tension -V, transmise à travers -T 5 et R 9 Cette polarisation négative assure l'immunité aux bruits et améliore la tenue en tension à l'état bloqué. Le courant de base IB 2 correspondant aux charges accumulées s'écoule, d'une part à travers T 5 avec une intensité limitée par R 9), d'autre part dans l'enroulement secondaire à travers D 4, R 4, tant que la tension V 2 est négative Une fois le transformateur démagnétisé, V 2 revient à zéro La tension de base de T 6 est cependant maintenue négative grâce à la tension -Vp. 7 - Le fonctionnement en auto-protection est le suivant S'il se produit que le courant d'émetteur IE de T 6 atteint ou dépasse R 16 ' la sortie du comparateur CO passe à 1 et remet à zéro la bascule B Il en résulte que T 2 s'ouvre immédiatement et que le courant I 2 s'annule malgré le maintien de V 2 à une valeur positive pendant tout l'intervalle t 1. L'annulation de I 2 provoque la fermeture du commutateur T 5 et la tension de base de T 6, qui est à l'état bloqué, se trouve maintenue à une valeur négative. Dès que T 6 passe à l'état bloqué, le courant IE diminue. Pour éviter que le montage limiteur de courant que l'on vient de décrire n'entre en oscillation, il importe donc que l'effet du dépassement de courant d'émetteur soit mémorisé pendant tout le reste de l'intervalle t 1 Ce résultat est obtenu grâce au fait que la bascule B est agencée pour rester dans l'état O tant qu'un nouveau front montant de tension V 2 ne lui est pas appliqué. Si l'on considère maintenant le montage pratique de la figure 3, dès que la limitation de courant est intervenue, R 12 et C 3-C 4 ont pour effet utile d'accélérer la mise en conduction de T 5, donc la mise en polarisation négative de la base de T En effet, R 12 C 3 jouent le rôle d'un différenciateur qui applique une impulsion négative assurant l'existence d'une polarisation négative au début d'un front de descente de l'alternance positive. La fonction de mémoire de la bascule T 3 T 4 est assurée grace à la résistance R 11; en effet, dès que le transistor T se bloque, le potentiel de base de T 3 prend, grâce au courant à travers Rî 1 Ri 3 CTN, une valeur telle que T 4 est maintenu dans l'état bloqué à la mise en conduction de T 6. L'action de T 3 (qui joue normalement aussi le rôle du comparateur CO 1) est donc masquée pendant un court instant (de l'ordre 1 ps) par Ci, R 12, C 3, qui constituent également un filtre passe-bas éliminant les transitoires très rapides, ce qui évite que T 4 ne puisse se bloquer intempestivement sous l'effet des pointes de courant -8- parasites importantes susceptibles de se produire à l'instant de la mise en conduction. On voit en définitive que l'on a assuré, au moyen d'un montage simple réalisé avec un petit nombre de composants courants et très économiques et un seul transformateur d'im- pulsions, sans faire appel à aucune source de basse tension positive ou négative, un montage de commande de base comportant un isolement entre le circuit de commande et la charge commutée (transformateur TC) et remplissant de manière efficace les fonctions de minimisation du temps de stockage du transistor découpeur (diodes anti-saturation), d'application d'une polarisation de base négative pendant le blocage (source R 17, D 8, C 2, comparateur CO 2 et commutateur T 5) et d'auto-protection du transistor (résistance de mesure R 16, comparateur CO 1, bascule B et commutateur T 2). Il va de soi que, bien que le mode d'exécution illustré par la figure 3 soit préféré, diverses variantes pourront être imaginées par l'homme du métier, sans sortir du cadre de l'invention. -9 Revendications de brevet 1 Circuit de commande de la base d'un transistor de puissance, comportant un transformateur d'impulsions, des moyens de relier l'enroulement secondaire dudit transfor- mateur à la base dudit transistor pendant la durée des impulsions et d'obtenir un état quasi-saturé dudit transis- tor pendant ladite durée, des moyens de contre-polarisation de ladite base pendant les intervalles de blocage et des moyens de prélever une tension représentative du courant qui circule dans ledit transistor, de la comparer à un seuil et d'assurer le blocage en cas de dépassement dudit seuil, caractérisé en ce qu'il comporte: a) Un premier composant semi-conducteur de commutation (T 2) branché entre l'enroulement secondaire du transformateur d'impulsions et la base du transistor de puissance; b) Un second et un troisième composants semi-conducteurs (T 3, T 4) montés en bascule à mémoire à désarmement domi- nant et dont le troisième (T 4) assure la commande de conduction dudit premier composant à semi-conducteur de commutation (T 2) pendant la durée des impulsions de commande, à condition que le second (T 3) ne soit pas-à l'état conducteur, ledit second composant semi-conduc- teur (T 3) jouant par ailleurs le rôle d'un comparateur et étant associé à des moyens (R 16, R 15, R 14, R 13, CTN> de prélever une tension représentative du courant débité par le transistor de puissance et de comparer ladite tension à sa tension base-émetteur. c) Un circuit à résistance capacité (R 17 C 2), agencé pour fournir une polarisation négative une fois que la capa- cité (C 2) a été chargée par le courant des impulsions et associé à un quatrième composant à semi-conducteur (T 5) agencé pour comparer la tension inverse engendrée à l'enroulement secondaire pendant les intervalles entre impulsions à sa propre tension base-émetteur et pour appliquer ainsi ladite polarisation négative à la base du transistor de puissance pendant lesdits intervalles. - 2 Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélever une tension représentative du courant du transistor de puissance comprennent une résistance ajustable (R 16) es 3 Circuit de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélever une tension représentative du courant du transistor de puissance comprennent une résistance à coefficient de température négative (CTN). 4 Circuit de commande relevant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélever une tension représentative du courant du transistor de puissance comprennent un filtre (C 1, R 12, C 3) qui supprime l'effet, sur ledit comparateur, des pointes de courant parasite qui prennent naissance à l'établissement de la conducton. 5 Circuit de commande suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par des moyens dérivateurs (R 12 C 3 C 4) reliant la base dudit second composant semi-conducteur second est lui-même mis en conduction. 6 Circuit de commande suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par une résistance (R 10) reliant le collecteur du troisième composant semi-conducteur (T 4) à la base du second (T 3), pour assurer le blocage de ce dernier dès que le troisième cesse de conduire.