Brevet FR2569067A1 — publié le 19860214

MONTAGE EN SERIE DE TRANSISTORS DE PUISSANCE La présente invention concerne le montage en série d'au moins deux transistors de puissance. Les progrès accomplis dans la technologie du transistor de puissance en font un élément commutateur utilisable dans les domaines de l'électronique de puissance et de l'électrotechnique exigeant des tensions et courants importants. Ainsi, on trouve aujourd'hui des transistors de puissan- ce à fort courant (de plusieurs dizaines d'ampères) et gain faible et à forte tension VCEO (tenue en tension collecteur-émetteur du transistor à circuit de base ou- vert, soit à courant de base Ib=O) de l'ordre de 800 Volts, et ayant ainsi des charges stockées importantes.- Seulement, les besoins notamment de l'électrotechnique s'étendent souvent à des tensions plus élevées,d'o l'in- térêt de réaliser la mise en série de transistors de puissance. Cependant, le montage en série d'au moins deux transistors de puissance exige dans tous les cas de fonctionnement un équilibrage aussi parfait que possible en tensions VCE (tension collecteur-émetteur des transistors). En régime statique de fonctionnement d'au moins deux transistors en série, le problème d'équilibrage est facilement résolu en utilisant deux résistances en série commutées en parallèle entre le collecteur de l'un des transistors et l'émetteur de l'autre transistor de manière à former un pont de résistances d'équilibrage. En régime de fonctionnement dynamique et notamment à l'allumage des transistors en série, les dispersions en temps ou temps pendant lequel s'effectue la montée du courant collecteur, tandis que la tension VCE reste égale à la tension d'alimentation, sont de l'ordre de la microseconde. L'équilibrage peut alors être résolu avec des condensateurs de quelques microfarads. Aux commutations de blocage, les transistors hautes ten- sions, fort courant, donc faible gain, ont des charges stockées dans la jonction base-collecteur très importan- tes et souvent très variables d'un transistor à l'autre. Les temps de reblocage qui s'étendent sur plusieurs dizaines de microsecondes nécessitent l'utilisation de condensateurs d'équilibrage de capacité élevée. Seulement, les coûts et volumes des condensateurs de capacité élevee grèvent fortement l'intérêt de la mise en série de transistors de puissance. La présente invention a pour but de remédier à l'incon- vénient ci-dessus en proposant un circuit d'équilibrage des transistors simple et efficace. Pour cela, l'invention se rapporte au montage en série d'au moins deux transistors de puissance, chacun commandé à sa base par un dispositif de commande et comprenant un condensateur d'équilibrage dynamique, les condensateurs étant montés en série avec leur jonction commune reliée a la jonction collecteur-émetteur des deux transistors en série par une liaison traversée par un courant lors du changement d'état des deux transistors en série, carac- térisé en ce que la liaison est réalisée sous forme d'un circuit d'équilibrage comportant des moyens sensibles au courant et des moyens générateurs de signaux d'équili- brage agissant sur les dispositifs de commande pour augmenter le courant de base de l'un des transistors et réduire le courant de base de l'autre transistor selon la grandeur et le sens du courant, afin d'annuler ce courant circulant a travers la liaison. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens sensibles et les moyens générateurs du circuit d'équilibrage sont constitués par deux enroulements en série, chacun inductivement lié au dispositif de com- mande. Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l'invention, chaque enroulement du circuit d'équilibrage est inductivement lié à un enroulement secondaire d'un transformateur de commande isolant galvaniquement chaque transistor de puissance d'un générateur commun de signaux de commande. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, carac- téristiques, détails et avantages de celle-ci apparal- tront plus clairement au cours de la description expli- cative qui va suivre faite en référence aux dessins schéma- tiques annexes donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 représente un montage en série de deux transistors de puissance auquel s'applique la présente invention; - la figure 2 représente le montage en série de deux transistors de puissance comportant le circuit d'équi- librage selon l'invention; et - les figures 3a, 3b et 3c montrent les différentes courbes des tensions et courants obtenus par l'équili- brage des transistors lors de leur commutation de blo- cage. En se rapportant à la figure 1, il est représenté un montage en série de deux transistors de puissance T1 et T2, l'émetteur du transistor T1 étant relié au collecteur du transistor T2. Une charge C, par exemple une charge inductive est re- liée d'une part par de l'une de ses bornes à la tension négative -E de la tension d'alimentation de puissance et d'autre part par son autre borne à l'émetteur du transistor de puissance T2, le collecteur du transistor de puissance T1 étant relié a la tension positive +E de la tension d'alimentation. Bien entendu, la charge C, au lieu d'être reliée au circuit émetteur du transistor T2, peut être reliée au circuit collecteur du transistor TI. Chaque transistor de puissance TI et T2 est commandé a sa base par un circuit de commande 1 comportant un géné- rateur 10 de signaux appropriés de commande et deux transformateurs de commande TR1 et TR2 isolant galvani- quement respectivement les transistors de puissance T! et T2 du générateur 10 de signaux de commande. Ainsi, comme il ressort de la figure 1, les enroulements pri- maires des transformateurs de commande TR1 et TR2 sont reliés en série, leurs bornes extrêmes étant reliées en sortie du générateur 10. L'enroulement secondaire du transformateur de commande TRI est relié entre la base et l'émetteur du transistor de puissance T1, tandis que l'enroulement secondaire du transformateur de commande TR2 est relié entre la base et l'émetteur du transistor de puissance T2. L'isolement galvanique entre un circuit générateur de signaux de commande et l'étage de puissance constitué par deux transistors de puissance est déjà. connu en soi, il n'a donc pas a faire l'objet d'une description plus détaillée. Deux résistances en série RI et R2 sont montées entre le collecteur du transistor T1 et l'émetteur du transis- tor T2 et ont leur jonction commune reliée a la jonction commune émetteur-collecteur des transistors T1 et T2. Ces deux résistances forment en quelque sorte un pont d'équilibrage des tensions VCE en régime statique de fonctionnement des transistors T1 et T2 comme cela est déjà connuen soi. Deux condensateurs CI et C2 reliés en série entre le col- lecteur du transistor T1 et l'émetteur du transistor T2 ont également leur jonction commune reliée à la jonction commune des transistors Tl et T2, ces deux condensateurs servant & l'équiliErage en tension en régime dynamique de fonctionnement de ces transistors. Avec cbacun des transistors de puissance Tl et T2 ayant un VCEO (tenue en tension, base ouverte) actuellement de l'ordre de 800 Volts, on comprend que les transistors T1 et T2 mis en série peuvent supporter une tension d'alimen- tation élevée lors de leur blocage, la charge C ayant une tension élevée à ses bornes et étant parcourue par un courant important lors de la conduction de ces transis- tors, et ce tout en ayant un équilibre tant en régime statique que dynamique satisfaisant. Cependant, afin d'éviter l'utilisation de condensateurs de forte capacité durant les commutations de blocage des transistors Tl et T2, l'invention prévoit des moyens d'équilibrage simples et efficaces. En effet, lors d'un déséquilibrage en tensions VCE, lors du changement d'état des transistors T1 et T2, un courant appelé Ids circule à& travers la liaison entre la jonction commune émetteur-collecteur des deux transistors et la jonction commune des condensateurs C1 et C2. Le sens et l'amplitude de ce courant Ids dépendent des valeurs re- latives des tensions VCE1 et VCE2 des transistors T1 et T2. Ainsi, le courant Ids a le sens indiqué par la flè- che en trait fort comme montré sur la figure 1 lorsque VCE2 varie plus fortement que VCE1 dans le temps, c'est-a-dire, lorsque la dérivée de VCE2 par rapport au temps est supérieure à la dérivée de VCE1 par rapport au temps (soit: dVCE2 dVCE1 dt dt) 256906W Le sens de Ids sera celui indiqué en traits pointillés sur la figure 1 quand: dVCE2 dVCE1 dt dt Le circuit selon la présente invention a pour but de me- surer le sens et l'amplitude du courant Ids et d'agir sur les courants de base des transistors, afin de ré- équilibrer les tensions VCE des transistors en bénéfi- ciant de leur gain (p). Un tel circuit est représenté dans le montage de la fi- gure 2, les éléments communs avec celui de la figure 1 portant les mêmes références. Comme représenté sur cette figure 2, le circuit d'équi- librage 2 des transistors de puissance Tl et T2 comprend deux enroulements LI et L2 montés en série, les bornes extrêmes de ces enroulements étant connectées entre la jonction commune des transistors Tl et T2 et la jonction commune des condensateurs C1 et C2. L'enroulement Ll forme en fait un enroulement supplémen- taire du transformateur de commande TR1 inductivement lié à l'enroulement secondaire de ce transformateur, tandis que l'enroulement L2 est un enroulement supplé- mentaire du transformateur de commande TR2 inductive- ment lié à l'enroulement secondaire de celui-ci. Ainsi, ce circuit d'équilibrage est capable de détecter un cou- rant Ids circulant à travers les enroulements LI et L2 et de générer des signaux d'équilibrage dans les enrou- lements secondaires des transformateurs de commande agissant sur les courants de base des transistors T1 et T2, afin d'équilibrer les tensions VCE, l'équilibre étant atteint lorsque Ids=O. A titre d'exemple, le fonctionnement du circuit d'équi- librage des transistors va être décrit au cours des commutations de blocage de ces transistors en se réfé- rant aux figures 3a à 3c. La figure 3b montre le courant de base Ib en fonction du temps appliqué & l'entrée des transistors de puissance TI et T2. Au cours de la commutation de blocage des transis- tors, le courant Ib diminue de sa valeur correspondant à la conduction des transistors pour atteindre une valeur négative nécessaire à la diminution du temps de blocage des transistors, la tension VBE des transistors devenant alors négative comme représenté en traits forts en figu- re 3a. Quelques instants après que Ib=O (c'est-à-dire, quand les transistors Tl et T2 ne sont plus conducteurs), les tensions VCE commencent à augmenter jusqu'â atteindre la tension de blocage des transistors comme représenté en figure 3c. Cependant, à cet instant ti o les tensions VCE commen- cent à augmenter un désequilibre de ces tensions peut être créé dans le cas o par exemple: dVCE2 dVCE1 dt dt ce qui se traduit par un courant de désequilibre Ids ayant le sens indiqué en figure 2. Le courant circu- lant à travers les enroulements LI et L2 induit dans les enroulements des transformateurs TR1 et TR2 des courants dont les sens sont indiqués par les flèches en trait fort et dont l'ampli- tude est tributaire de celle du courant Ids. Le courant circulant à. travers l'enroulement secondaire du trans- formateur TRI va rendre plus negatif donc augmenter le courant Ibl, tandis que le courant circulant à travers l'enroulement secondaire du transformateur TR2 va ren- dre moins négatif donc diminuer le courant Ib2 de T2, comme montré en figure 3b. Le passage de ces courants d'équilibrage à travers les enroulements secondaires des transformateurs va donc modifier les tensions VBEI et VBE2, comme montré en fi- gure 3a. Cette action sur les tensions VBE1 et VBE2 des transistors T1 et T2 permet de rétablir l'équilibre des tensions YCE de ces transistors, ces tensions VCE variant de la même quantité par rapport au temps tout en préser- vant l'équilibre des transistors. Le courant Ids sera alors nul à l'équilibre. Tout déséquilibrage est donc détecté par le circuit d'équilibrage pendant la commuta- tion de blocage des transistors jusqu'à ce que les ten- sions VCE atteignent la tension de blocage. La description ci-dessus concernant la façon dont le courant Ids agit sur les tensions a été faite en réfé- rence aux commutations de blocage des transistors, mats il est bien évident que le courant agit sur le circuit d'équilibrage également lors des commutations de satura- tion des transistors. Bien entendu, l'utilisation du circuit d'équilibrage selon l'invention peut s'étendre & plusieurs transistors, l'équilibrage de ces transistors s'effectuant toujours deux à deux. Enfin, d'autres moyens pour le circuit d'équilibrage peuvent être utilisés sans sortir du cadre de la présen- te invention pourvu que ce circuit d'équilibrage comporte des moyens détectant un courant entre la jonction com- mune émetteur-collecteur des transistors de puissance et la jonction commune des condensateurs et des moyens générateurs de signaux d'équilibrage répondant au cou- rant apparaissant, afin de rétablir l'équilibre des transistors. On a donc réalisé par la présente invention, un circuit d'équilibrage simple, efficace, facile a mettre en oeu- vre et de faible coot. R E Y E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1. Montage en série d'au moins deux transistors de puis- sance, chacun commandé à sa base par un dispositif de commande et comprenant un condensateur d'équilibrage dynamique, les condensateurs étant montés en série avec leur jonction commune reliée à la jonction collecteur- émetteur des deux transistors en série par une liaison traversée par un courant lors du changement d'état des deux transistors en série, caractérisé en ce que ladite liaison est réalisée sous forme d'un circuit d'équili- brage (2), comportant des moyens (L1, L2) sensibles au courant et des moyens (L1, L2) générateurs de signaux d'équilibrage agissant sur les dispositifs de commande (10, TR1, 10, TR2) pour augmenter le courant de base de l'un des transistors (T1, T2) et réduire le courant de base de l'autre transistor (T2, T1) selon la grandeur et le sens du courant (Ids), afin d'annuler ce courant à. travers ladite liaison. 2. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens sensibles précités et les moyens générateurs précités du circuit d'équilibrage (2) sont constitués par deux enroulements (LI) et (L2) en série, l'enroule- ment (L1) étant inductivement lié au dispositif de com- mande (10, TRI), tandis que l'enroulement (L2) est in- ductivement lié au dispositif de commande (10, TR2). 3. Montage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enroulement (L1) précité du circuit d'équili- brage (2) est inductivement lié à un enroulement secon- daire d'un transformateur de commande (TR1) du disposi- tif de commande, tandis que l'enroulement (L2) précité est inductivement lié à un enroulement secondaire d'un transformateur (TR2) du dispositif de commande, les transformateurs de commande (TR1) et (TR2) isolant galvaniquement chaque transistor de puissance (Ti) et (T2) d'un générateur commun (10) de signaux de commande.