Brevet FR2556905A1 — publié le 19850621

La présente invention concerne un circuit de commande pour transistor à effet de champ de puissance. Dans certaines applications de transistors à effet de champ,par exemple dans des convertisseurs ou régulateurs à commutation haute fréquence, il est nécessaire d'isoler le circuit de commande, qui travaille à basse tension, du circuit de commutation dont fait partie le transistor à effet de champ, qui travaille à un niveau de tension plus élevé et pour assurer un tel isolement il faut utiliser un circuit de commande. Dans le cas particulier d'applications spatiales, un tel circuit de commande doit permettre à l'électrode de commande ou gâchette du transistor à effet de champ d'être polarisée négativement par rapport à l'électrode source lorsque le transistor est non conducteur car autrement les radiations ionisantes de l'environnement spatial pourraient provoquer la commutation du transistor à l'état conducteur. Une telle polarisation négative empê- cherait également la commutation du transistor dans le cas o la gâchette reçoit des tensions en échelons appliquées de façon aléatoire. D'autre part, les convertisseurs ou régulateurs à commu- tation exigent que le délai du circuit de commande pour commuter le transistor soit très court, c' est-à- dire de l'ordre de 0,05 microseconde. Enfin, un tel circuit de commande doit permettre un cycle de travail allant de zéro à 10096 lorsqu'il est commandé par des signaux modulés par largeur d'impulsion, c'est-à-dire qu'il doit permettre au transistor à effet de champ d'être commuté entièrement conducteur ou non conducteur pour une période de temps indéfinie. Un dispositif fréquemment utilisé ces dernières années pour isoler électriquement un circuit de commande d'un circuit de puissance est le coupleur optique. Le signal électrique d'un transistor est converti en un signal optique qui se trouve ensuite acheminé par un chemin optique vers un récepteur (par exemple un photo- transistor au silicium) qui reconvertit le signal optique en un signal électrique. Un autre dispositif, plus récent, est le coupleur piézoélectrique. Celui-ci est un élément de céramique qui convertit le signal électrique en énergie mécanique qui se trouve transformée en une onde acoustique et celle-ci est alors reconvertie en un signal électrique. Ces deux dispositifs connus ont pour principal désavan- tage que leur vitesse de fonctionnement est trop lente pour être utilisés dans les convertisseurs et les régu- lateurs à commutation:leur délai de commutation est en effet de l'ordre de 20 microsecondes. Un second désa- vantage est que ces dispositifs nécessitent un équipe- ment auxiliaire tel qu'une alimentation d'énergie sans tension (coupleur optique) ou un multivibrateur (coupleur piézoélectrique). Enfin, aucun de ces dispositifs ne permet de produire une tension gâchette-source négative convenant pour la commande d'un transistor à effet de champ de commutation. Un dispositif plus classique pour assurer l'isolement électrique entre circuits est le transformateur d'impul- sion. Les signaux de commande sont transmis entre les circuits de niveaux de potentiel différents par induc- tion électromagnétique. Un tel transformateur ne peut cependant transférer que les composantes alternatives du signal d'entrée. En conséquence, leur tension de sortie passe d'un niveau négatif à un niveau positif d'une quantité qui dépend du cycle de travail. De plui l'inductance de fuite du transformateur réduit son efficacité comme circuit de commande de gâchette. Pour surmonter ces difficultés il peut être nécessaire d'utiliser un étage de conditionnement de signal qui requiert une alimentation d'énergie séparée et entraine par conséquent une plus grande complexité. Le transfor- mateur d'impulsion reste néanmoins une solution sûre qui présente une grande immunité à l'égard du bruit chaque fois que le cycle de travail a lun minimum connu fixé. Toutefois, bien qu'il constitue le moyen le plus pratique pour assurer l'isolement électrique entre le circuit de commande d'un transistor à effet de champ et le circuit de commutation, le transformateur d'impulsion ne satisfait point à tous égards aux iompée ratifs des circuits de commande de transistors à effet de champ comme indiqué plus haut. L'invention apporte une solution à ce problème par un circuit de commande qui se caractérise par deux circuits de commutation connectés entre la gâchette et l'électrode source du transistor à effet de champ (TEF), chaque circuit de commutation contenant un commutateur commande et un enroulement secondaire de transformateur, un premier générateur d'impulsion produisant à une cadence prédé terminée une impulsion ayant un premier état logique pour actionner le commutateur commandé d'un des circuits de commutation, ladite impulsion étant appliquée à un enroulement primaire de transformateuret un second géné= rateur d'impulsion produisant à une cadence prédéterminée une impulsion ayant un second état logiques complémentaire de l'état logique de l'impulsion du premier générateur, pour actionner le commutateur commandé de l'autre circuit de commutation, chaque enroulement primaire étant couplé magnétiquemnt à un enroulement secondaire. Les enroulements primaire et secondaire de chacun des circuits de commutation peuvent être bobinés sur des transformateurs séparés ou sur un même transformateur. Dans un premier mode de réalisation les enroulements primaires sont deux enroulements d'un même transforma- teur et les enroulements secondaires sont constitués par un seul enroulement secondaire dudit transformateur. qui peut en outre porter deux enroulements secondaires auxiliaires, chacun de ces enroulements secondaires auxiliaires étant connecté pour commander le commutateur d'un circuit de commutation respectif. Dans un autre mode de réalisation les enroulements primaires et secondaires sont prévus sur deux transfor- mateurs, les enroulements secondaires étant connectés en série. Chaque transformateur peut en outre porter un enroulement secondaire auxiliaire connecté pour commander le commutateur du circuit de commutation respectif. L'invention est exposée plus en détails dans ce qui suit avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'un exemple de mode de réalisation du circuit de commande selon l'invention, la figure 2 est un diagramme montrant les formes d'onde de signaux en quelques points du circuit de la figure 1, la figure 3 est un schéma d'une variante de réalisation du circuit selon l'invention, la figure 4 illustre une variante d'exécution du montage de la figure 3. Se référant à la figure I on voit que le montage selon l'invention comprend deux circuits de commutation et 200 connectés entre la gâchette G et l'électrode source S du transistor à effet de champ de puissance TEF à commander. Les deux circuits de commutation contiennent chacun un dispositif de commutation commandé 1, 2 et un enroulement secondaire d'un transformateur d'impulsion, 10 et 20 respectivement. Ces transformateurs couplent chacun des circuits de commutation à un circuit d'attaque 3, 4connecté au primaire. Les dispositifs de commutation 1 et 2 sont commandés de manière synchrone par des enroulements secondaires auxiliaires 13, 23 des transformateurs 10 et 20. Le circuit de la figure 1 fonctionne comme suit. Lorsque le circuit d'attaque 3 applique une impulsion au primaire 11 du transformateur 10, une tension positive apparaît aux secondaires 12 et 13: le transistor 1 est rendu conducteur par la tension appliquée à sa base par l'enroulement 13 et la tension sur l'enroulement 12 charge alors la capacité gâchettesource du transistor TEF à la tension source en circuit ouvert du transfor- mateur 10. Le transistor TEF est ainsi rendu conducteur. A la fin de l'impulsion d'attaque, par exemple après 0,5 microseconde, le transistor 1 devient non conducteur, laissant la capacité gâchette-source chargée à sa valeur haute de sorte que le transistor de puissance TEF reste conducteur, même en présence d'une fuite de cherge de ladite capacité. Si l'impulsion d'attaque est alors répétée après des intervalles de microsecondes par exemple, le transistor de puissance TEF peut être maintenu à l'état conducteur pendant une période de temps indéfinie puisque les impulsions successives "rafraicbissent" régulièrement la charge de la capacité gâchette-source. Pour rendre le transistor de puissance TEF non conducteur, c'est le circuit associé au transformateur 20 qui est utilisé. Lorsque le circuit d'attaque 4 applique une impulsion au primaire 21, la capacité gâchettesource du transistor de puissance TEF se trouve cette fois chargée à une tension négative, plaçant le transistor de puissance TEF dans l'état non conducteur. La répé- tition de l'impulsion d'attaque négative après par exemple 10 microsecondes, maintient le transistor TEF en état de non conduction. Dans le mode d'exécution illustré à la figure 1, les impulsions d'attaque sont dérivées d'un signal modulé en largeur d'impulsion (signal PWM), à l'aide de deux générateurs d'impulsion identiques agencés pour produire une impulsion ayant un rapport travail-repos d'environ 1:20, par exemple une impulsion ayant un état haut (état logique 1) pendant environ 0,5 microseconde et un état bas (état logique 0) pendant environ 10 micro- secondes. L'agencement de ces générateurs est tel que la première impulsion de sortie apparaisse quelques nanosecondes après qu'un état logique 1 soit appliqué à leur entrée et qu'elle prenne fin quelques nano- secondes après que l'entrée soit passé à l'état logique 0. Le générateur d'impulsion 4 est précédé d'un inverseur 5 afin d'assurer que les sorties des générateurs 3 et 4 soient toujours complémentaires de manière à éviter que ces générateurs puissent avoir en même temps un état logique 1 à leurs sorties. Le générateur d'impulsion 3 produit une impulsion de commande pour rendre le transistor TEF conducteur en réponse à un état logique 1 de l'impulsion-PIM, le générateur d'impulsion 4 produit une impulsion de commande pour rendre le transistor TEF non conducteur en réponse à un état logique 0 du signal PWM. Les diagrammes de la figure 2 montrent les états correspondants des impulsions et signaux dans le montage de la figure 1. Le diagramme A montre la forme d'onde du signal d'entrée PXM, le diagramme B montre la forme d'onde de l'impulsion de conduction apparaissant au secondaire 12 du transfor- mateur 10, le diagramme C montre la forme d'onde de l'impulsion de blocage apparaissant au secondaire 22 du transformateur 20, le diagramme D montre la forme d'onde du signal de gâchette du transistor commande TEF, le diagramme E montre la forme d'onde du courant de drain du transistor TEF. Le circuit de commande décrit ci-dessus présente les avantages suivants: il assure l'isolement électrique entre le circuit de commande basse tension et le circuit de commutation de puissance comme dans les dispositifs antérieurs, il produit une tension gâchette-source négative pendant la période de blocage, ce qui améliore la résistance du transistor de puissance TEF au= radiations ainsi que sa tension de rupture; cette tension g&chette source négative,qui est produite sans équipement auxiliaire complexe, empoche également la commutation du transistor de puissance TEF lorsque sa gâchette reçoit des tensions en échelon aléatoires, 25. le cycle de travail du transistor de puissance peut s'étendre de 0 à 100% pour une modulation en largeur d'impulsion, c'est-à-dire que le transistor de puissance peut être réglé de son état complète'nt conducteur jusqu'à son état complètement non conduct=euro 30. les états conducteur et non conducteur peuvent être maintenus pendant un laps de temps indéfini par suite du rafraîchissement de la charge de la capacité g.chette source du transistor de puissance, consommation très faible, 35. temps de délai de commutation du transistor de puissance très court,par exemple 0,05 microsecondepar suite de la faible résistance de source du transistor. La figure 3 illustre une variante de forme d'exécution dans laquelle un seul transformateur d'impulsion est utilisé. Ce transformateur 30 comporte deux enroulements primaires 31 et 32, un enroulement secondaire principal 33 et deux enroulements secondaires auxiliaires 34 et 35 connectés comme montré sur le dessin. Les enroulements secondaires 34 et 35 jouent le même rôle que les enroulements secondaires 13 et 23 de la figure 1 et ils sont associés aux transistors 1 et 2. Lorsque le transistor 8 est rendu conducteur par une impulsion du générateur 3, une tension en échelon apparait sur les secondaires 33, 34 et 35. Le transistor 1 est rendu conducteur par la tension positive appliquée à sa base par l'enroulement secondaire 34 et la tension sur le secondaire 33 charge la capacité gàchette-source du transistor de puissance TEF à travers la diode 6, de sorte que le transistor de puissance TEF est rendu conducteur et il reste conducteur même après que les transistors 8 et 1 sont devenus non conducteurs lorsque l'impulsion d'attaque a disparu. La commande pour rendre le transistor de puissance non conducteur s'effectue à l'intervention du transistor 9 rendu conducteur par une impulsion du générateur 4. Dans ce cas, la capacité gâchette-source du transistor de puissance TEF se trouve chargée à une tension négative à travers la diode 7 et le transistor 2 rendu conducteur par la tension sur le secondaire 35. Le rafraîchissement de la charge de la capacité gâchette- source du transistor de puissance TEF est assuré par la répétition de l'impulsion positive ou négative après des intervalles de 10 microsecondes par exemple. La figure 4 montre une variante du montage de la figure 3, dans laquelle les enroulements secondaires auxiliaires sont éliminés. Le transformateur 30 ne comporte que l'enroulement secondaire principal 33 couplé aux enroulements primaires 31 et 32. La tension de polarisation de base des transistors 1 et 2 est ici prélevée sur le potentiomètre constitué des résistances 36 et 37. Le fonctionnement de ce montage est en tous points semblable à celui du montage de la figure 3. REVENDICATIONS 1. Circuit de commande pour transistor à effet de champ de puissance, caractérisé par deux circuits de commutation (100,200) connectés entre la gâchette et l'électrode source du transistor à effet de champ (TEF), chaque circuit de commutation contenant un commutateur commandé (1, 2) et un enroulement secondaire de transformateur (12, 22; 33) un premier générateur d'impulsion (3) produisant à une cadence prédéterminée une impulsion ayant un premier état logique (état logique 1) pour actionner le commu- tateur commandé (1) d'un des circuits de commutation (100), ladite impulsion étant appliquée à un enroulement primaire de transformateur (11, 21; 31, 32) et un second générateur d'impulsion (4) produisant à une cadence prédéterminée une impulsion ayant un second état logique (état logique 0), complémentaire de l'état logique de l'impulsion du premier générateur, pour actionner le commutateur commandé (2) de l'autre circuit de commutation (200), chaque enroulement primaire (11, 21; 31, 32) étant couplé magnétiquement à un enroulement secondaire (12, 22; 33). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les enroulements primaires (31, 32) sont deux enroule- ments d'un même transformateur (30) et les enroulements secondaires sont constitués par un seul enroulement secondaire (33) dudit transformateur. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le transformateur (30) porte en outre deux enroulements secondaires auxiliaires (34, 35), chacun de ces enrou- lements secondaires auxiliaires étant connecté pour commander le commutateur (1, 2) d'un circuit de commuta- tion respectif. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les enroulements primaires et secondaires sont prévus sur deux transformateurs (10, 20), les enroulements secondaires (12, 22) étant connectés en série. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel chaque transformateur (10, 20) porte en outre un enroulement secondaire auxiliaire (13, 23) connecte pour commander le commutateur (1, 2) du circuit de commutation respectif.