Brevet FR2561471A1 — publié le 19850920

CIRCUIT DE COMMANDE DE COMMUTATION D'UN TRANSISTOR DE PUISSANCE La présente invention concerne les circuits de commutation de courants et tensions relativement élevées, et plus particulièrement ceux qui doivent effectuer une commutation de courant dans une charge essentiellement inductive. On s'intéresse notamment aux circuits de commande de com- mutation des alimentations à découpage et aux circuits de com- mande de balayage horizontal ou vertical des récepteurs de télévision. Dans ces circuits, l'élément de commutation est un transistor de puissance dont le collecteur est relié à tune charge fortement inductive comprenant essentiellement des enroulements de transfor- mateurs (pour les alimentations à découpage) ou une bobine de déviation horizontale ou verticale de faisceau électronique (pour les circuits de balayage). Le plus souvent, la base du transistor de puissance est com- mandée par un circuit fournissant des créneaux de commande périodique, de largeur variable. Au niveau haut des créneaux, un courant de base est appliqué pour rendre le transistor conducteur; au niveau bas, ce courant est interrompu pour bloquer le transistor. Le transistor doit pouvoir conduire un courant important, qui croit d'a'Ileurs linéairement d'une valeur minimale à une valeur maximale, à chaque période de commutation, lorsque la charge est inductive. Pour que le transistor puisse conduire le courant maximal prévu à la fin de la période de conduction (courant de déviation maximale du faisceau électronique dans le cas du balayage d'un récepteur de télévision), il est nécessaire d'appliquer un courant largement suffisant à la base de ce transistor pendant la période de conduction. Lorsqu'un créneau est appliqué avec un -tel courant de base largement calculé, il en résulte une forte saturation du transistor, ce qui nuit à la rapidité de son blocage à la fin de la période de conduction: le transistor fortement saturé ne pourra pas inter- rompre rapidement le courant qui le traverse, malgré l'interruption du courant appliqué à sa base. Il est d'ailleurs maintenant habituel de prévoir que le blocage du transistor est accéléré par l'application d'une forte impulsion de courant de base négatif légèrement après l'interruption du créneau qui commande l'application d'un courant de base positif. D'autre part, en dehors de l'instant de blocage du transistor, le créneau de commande de conduction des dispositifs habituels établit un courant de base positif (de maintien en conduction) qui garde pendant toute la durée de conduction désirée une valeur constante égale au moins au courant maximal nécessaire à la fin de la priode de conduction; un tel courant de base important n'est pas du tout nécessaire au début de la mise en conduction et il conduit à une consommation de puissance tout à fait inutile. La présente invention propose un circuit qui évite cette forte saturation et cette consommation inutile de courant de base, du fait qu'il ajuste au mieux, à chaque instant, le courant de base, en lui donnant la valeur nécessaire compte-tenu du courant principal qui doit parcourir le transistor de puissance à cet instant. Le circuit selon l'invention, pour la commande de commutation d'un transistor de puissance en série avec une charge essentiel- lement inductive, comprend un générateur de créneaux de largeur variable, une première résistance de faible valeur, une deuxième résistance de valeur beaucoup plus importante, deux ensembles de transistors constituant essentiellement des miroirs de courant com- portant chacun un premier transistor monté en diode et un deuxième transistor de recopie, les deux transistors, de même type NPN ou PNP dans un même ensemble et de type opposé à ceux de l'autre ensemble, ayant leurs bases réunies, la première résistance étant reliée d'une part à l'émetteur du transistor de puissance et d'autre part, à la deuxième résistance qui est par ailleurs reliée à l'émetteur du transistor de recopie du premier miroir de courant; le premier transistor du premier miroir de courant a son émetteur relié à l'émetteur du transistor de puissance et a son collecteur en série avec une source de courant commandée en tout ou rien par le générateur de créneaux; le collecteur du transistor de recopie du premier miroir de courant est relié au collecteur du premier transistor du deuxième miroir de courant; les émetteurs des pre- mier et deuxième transistors du deuxième miroir de courant sont réunis mais non ceux du premier miroir, et le collecteur du deuxième miroir de courant est relié à une entrée d'un amplificateur de courant dont la sortie est reliée à la base du transistor de puissance. On expliquera plus loin le fonctionnement détaillé de ce circuit, mais d'ores et déjà, on peut mentionner que seul le deuxième miroir de courant est un vrai miroir de courant (transistors ayant leurs bases réunies et leurs émetteurs réunis). Le premier agit comme miroir de courant seulement au début de la période de conduction du transistor de puissance; les émetteurs des transistors de ce miroir ne sont d'ailleurs pas réunis. Pour l'essentiel, le circuit fonctionne de la manière suivante: au début d'un créneau de mise en conduction du transistor de puissance, engendré par le générateur de créneaux de largeur variable, un faible courant est établi dans le premier miroir de courant. Ce courant est amplifié par l'amplificateur de courant qui commence alors à faire conduire le transistor de puissance. La croissance du courant dans ce transistor est ensuite dictée par le caractère inductif de la charge, et cette croissance induit dans la résistance de faible valeur une chute de tension qui se répercute dans la résistance de forte valeur et qui induit à son tour une croissance du courant à l'entrée de l'amplificateur de courant commandant le transistor de puissance. La croissance du courant de commande de ce dernier suit donc exactement les besoins dictés par la consommation croissante de courant dans la charge inductive. Il n'y a ni sursaturation du transistor de puissance ni consommation excessive de courant de base pendant la durée de conduction. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa- rattront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure i représente un schéma de circuit de commande conforme à l'invention, - la figure 2 représente en détail un mode de réalisation de la source de courant commandée de la figure l, - la figure 3 représente en détail un exemple de réalisation de l'amplificateur de courant de la figure l. Le circuit selon l'invention comprend (figure 1) un transistor de puissance T pour la commutation d'un courant dans une charge essentiellement inductive qui a été représentée sous forme d'un bloc 10 relié d'une part au collecteur du transistor T, d'autre part, par l'intermédiaire d'une résistance de faible valeur R, à son émetteur, et enfin à une source de tension de polarisation (borne A) fournissant l'énergie nécessaire à l'alimentation de la charge 10. Dans ce qui suit on considèrera que le transistor T est de type NPN. Sinon, il faut inverser les polarités. A titre d'exemple, le bloc 10 comprend simplement le primaire d'un transformateur, pour une alimentation à découpage, ce primaire étant en série entre le collecteur du transistor T et la borne positive A d'alimentation, la résistance R étant reliée à une borne négative de l'alimentation. Pour un circuit de balayage de télévision, le bloc peut comprendre en outre une bobine de déviation essentiel- lement en parallèle avec le primaire du transformateur (qui est alors le transformateur dit de ligne). On notera que la résistance R peut être la résistance série souvent utilisée à cet endroit comme détecteur de courant pour fournir un signal de dépassement de courant à un circuit de protection du transistor T. La base du transistor T est commandée par un amplificateur de courant 12 fournissant un courant de sortie essentiellement proportionnel à son courant d'entrée. 256 1471 Un premier ensemble de deux transistors NPN Tl et T2 ayant leurs bases réunies constitue ce qu'on appellera dans la suite de la description et dans les revendications un "miroir de courant", et un deuxième ensemble de deux transistors PNP T3 et T4 ayant leurs bases réunies constitue un second miroir de courant. En fait, seul le deuxième ensemble constitue un véritable miroir de courant tel que le courant circulant dans le transistor T3 soit recopié par le transistor T4 avec un facteur de proportionalité dépendant uni- quement des rapport de surfaces d'émetteur des transistors T3 et T4. L'ensemble Tl, T2 ressemble à un miroir de courant sans en être tout à fait un. Les transistors T3 et T4 ont leurs émetteurs réunis à une source d'alimentation positive commune qui peut d'ailleurs être la borne A. Le transistor T3 est monté en diode, c'est-à-dire que son collecteur et sa base sont réunis. Le collecteur du transistor T4 (sortie du deuxième miroir de courant) est relié à l'entrée de l'amplificateur de courant 12. Le collecteur du transistor T3 est relié à la sortie du premier miroir de courant, c'est-à-dire au collecteur du transistor T2. L'émetteur du transistor T2 est relié à une résistance r de valeur beaucoup plus forte que la résistance R (par exemple r est de l'ordre de 100 fois R). L'autre extrémité de la résistance r est reliée à la résistance R (du côté o elle est raccordée à la charge 10 donc du côté o elle n'est pas raccordée à l'émetteur du transistor T). Le transistor Tl est monté en diode (collecteur relié à sa base) et son collecteur est relié à une source de courant 14, commandée en tout ou rien par un générateur 16 de créneaux de largeur variable couramment utilisé dans les circuits de commande de commutation d'alimentations à découpage. La source de courant 14 est reliée par ailleurs à une borne d'alimentation positive qui peut être la borne A. La borne négative de l'alimentation peut être connectée soit au point de jonction des résistance R et r, soit à l'émetteur du transistor T. 256 1471 Le circuit fonctionne de la manière suivante: le transistor de puissance est bloqué pendant la phase I d'un créneau issu du générateur 16 (par exemple créneau au niveau bas), et il conduit pendant la phase 2 (créneau au niveau haut). On appelle i le courant de la source 14, Vbel la tension base- émetteur de transistor TI, Vbe2 celle du transistor T2, i' le courant dans la résistance r et I le courant dans l'émetteur du transistor T. Le courant dans le transistor TI est soit nul (créneau de commande au niveau bas) et on a alors VbeI = 0, soit égal à la valeur nominale i (créneau au niveau haut) et Vbel est alors fixé par i. On peut écrire: Vbe2 = Vbe + R (I + i) - ri' (1) donc Vbe2 = VbeI + Ri + RI - ri' (2) Les deux premiers termes sont des constantes lorsque le créneau est au niveau haut. Le deuxième exprime une différence de chutes de tension dans les résistance R et r. Si un accroissement de courant dI se produit du fait du caractère inductif de la charge, il en résultera un accroissement dVbe2 de Vbe2 et par conséquence un accroissement di' du courant i'; Vbel et i ne changent pas. On a alors: (Vbe2 + dVbe2) = Vbe1 + Ri + R(I + dI) - (i' + di') (3) Des équations (2) et (3) on déduit: dVbe2 = RdI - rdi' (4) En fait, Vbe2 varie très peu et on peut pratiquement écrire: RdI = rdi' (5) Mais, par ailleurs, l'accroissement dl est lié à di' par le gain de boucle résultant du gain du deuxième miroir de courant (qui est un vrai miroir de courant), du gain de l'amplificateur de courant 12, et du gain en courant (courant émetteur/courant base) du transistor T lui-même. Si K est le gain total de la boucle, on a: dI = Kdi' (6) De (5) et (6) il résulte que: 256 1471 K = r/R (7) En fait le gain K peut se décomposer en K = kI k2 k3, produit de trois gains qui sont respectivement le gain k1 du deuxième miroir de courant T3, T4; le gain k2 de l'amplificateur 12; et le gain en courant k3 du transistor T lui-même. k et k2 sont des constantes car le miroir de courant T3, T4 et l'amplificateur 12 travaillent en régime linéaire. Au contraire, k3 n'est pas constant: si on est en régime saturé, k3 est égal à I (gain dynamique); si on est en régime -10 linéaire, k3 peut être égal à quelques dizaines d'unité. Si on est en quasi saturation, c'est-àdire au voisinage de la saturation, 1 fortement de un à quelques unités. On a tout intérêt à faire travailler le transistor T dans cette zone de quasi-saturation pour éviter une consommation excessive de courant de base et une difficulté de commutation à l'ouverture. On choisit donc les gains k1, k2 et le rapport des résistances R et r de telle manière que, du fait de la relation (7), k3 prenne une valeur forcée correspondant a une quasi-saturation du transistor de commutation. De cette manière, on sera sûr de fournir un accrois- sement positif de Vbe2 pour un accroissement positif du courant I. Le transistor T restera en permanence à la limite de la saturation et le courant consommé par la base sera minimal. Les courants i et i' n'ont pas besoin d'être importants de sorte que les transistors TI, T2, T3 peuvent rester de petites dimensions. T4 peut être plus important pour participer à la réalisation du gain K. Un exemple de réalisation de la source de courant commandée 14 est représenté à la figure 2. Elle comprend une source de courant établie classiquement par un miroir de courant à deux transistors T5, T6 alimenté par une borne positive d'alimentation, le transistor T6 recopiant un courant constant connu i5 circulant à travers le transistor T5. Le collecteur du transistor T6 est relié directement aux émetteurs de deux transistors T7 et T8 dont l'un a son collecteur relié à une masse électrique (borne négative de l'alimentation) et l'autre fournit sur son collecteur le courant i de la figure 1. Le signal de sortie du générateur de créneaux 16 est appliqué en différentiel entre les bases des transistors T7 et T8 pour inter- rompre ou autoriser le passage du courant i. La figure 3 représente un exemple possible de réalisation de l'amplificateur de courant 12 de la figure 1. Il comprend un étage darlington NPN T9, TIO (entrée sur la base de T9, sortie sur l'émetteur de Tl0), avec un transistor d'amplification supplé- mentaire TI 1 dont la base et l'émetteur sont reliés respectivement à la base et l'émetteur du transistor TI0, et dont le collecteur est relié à la base du transistor 19. Les collecteurs des transistors T9 et T10 sont reliés à une borne d'alimentation positive. REVENDICATIONS 1. Circuit de commande de commutation d'un transistor de puissance (T) en série avec une charge essentiellement inductive (10), notamment pour une alimentation à découpage ou un circuit de balayage de télévision, cornprenant un générateur (16) de créneaux de largeur variable, caractérisé en ce qu'il comporte: - une première résistance de faible valeur (R), - une deuxième résistance de valeur beaucoup plus importante (r), - deux ensembles constituant essentiellement des miroirs de courant comportant chacun un premier transistor (TI, T3) monté en diode et un deuxième transistor (T2, T4) de recopie, les deux transistors, de même type NPN ou PNP dans un même ensemble et de type opposé à ceux de l'autre ensemble, ayant leur bases réunies, - la première résistance (R) étant reliée d'une part à l'émet- teur du transistor de puissance et d'autre part à la deuxième résistance (r) qui est par ailleurs reliée à l'émetteur du transistor de recopie (T2) du premier miroir de courant; le premier transistor (TI) du premier miroir de courant ayant son émetteur relié a l'émetteur du transistor de puissance et ayant son collecteur en série avec une source de courant (14) commandée en tout ou rien par le générateur de créneaux (16); le transistor de recopie (T2) du premier miroir de courant ayant son collecteur relié au collecteur du premier transistor (T3) du deuxième miroir de courant; les émetteurs des premier et deuxième transistors du deuxième miroir étant réunis mais non ceux du premier miroir, et le collecteur du deuxième transistor du deuxième miroir de courant étant relié à une entrée d'un amplificateur de courant (12) dont la sortie est reliée à la base du transistor de puissance. 2. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit du gain en courant (kl) du deuxième miroir de courant par le gain en courant (k2) de l'amplificateur est lié au rapport r/R de la deuxième résistance à la première par la relation suivante: r/R =klk2k3 o k3 est une valeur de gain du transistor de puissance qui correspond à un état de quasi saturation de ce transistor.