Brevet FR2583940A1 — publié le 19861226

La présente invention concerne des circuits de commande pour la commutation de charges inductives et de transistors, en parti- culier un circuit de commutation à rendement élevé, intégrable monolithiquement, utilisable pour le pilotage de charges induc- tives dans des imprimantes ultra-rapides et dans des dispositifs d'alimentation à commutation (également appelés "dispositifs d'alimentation à hacheur" ou "dispositifs d'alimentation swit- ching"). Les circuits de commutation de ce type comprennent généra- lement un transistor final de puissance qui est monté en série avec la charge inductive entre les deux p8les d'un générateur de tension d'alimentation et qui est piloté alternativement d'un état de haute tension et de courant faible à un état de basse tension et de courant fort. Dans le premier état, le transistor est virtuellement, entre les bornes d'émetteur et de collecteur, un circuit ouvert (état d'extinction ou de blocage ou état "off") et, dans le second état, un court-circuit (état de conduction ou état "on"), empochant ou permettant respectivement que le courant passe à travers la charge inductive. Le mode de fonctionnement du transistor qui se rapproche le plus du fonctionnement d'un interrupteur idéal est celui dans lequel le transistor dans l'état de fermeture travaille en saturation et, dans l'état d'ouverture, est bloqué. Dans ce cas, la fréquence maximale possible de commutation du transistor final est limitée essentiellement par les effets, pendant la phase de passage de la saturation au blocage ("turn-off"), de l'emmagasinage de charges à la base, survenu pendant la phase de conduction. Une période transitoire d'exi tatimnest composéed'unepremière phase dans laquelle le transistor continue à etre en saturation, d'une deuxième phase de "quasi-saturation" dans laquelle la ten- sion collecteur-émetteur commence à monter, mais le courant de collecteur reste constant, et d'une phase finale dans laquelle la tension collecteurémetteur monte rapidement et le courant de collecteur tend vers zéro. La phase de "quasi-saturation" est en particulier celle dans laquelle le transistor dissipe le plus d'énergie. Une réduction du temps d'extinction serait donc avantageuse, à la fois pour augmenter la fréquence maximale possible de commuta- tion et pour améliorer le rendement du circuit de commutation du point de vue énergétique, en réduisant les temps dans les- quels le fonctionnement du transistor de puissance final s'écar- te de celui d'un interrupteur idéal. Lorsque la commutation du transistor de puissance final est commandée au moyen d'un second transistor accouplé à celui- ci, la vitesse de fonctionnement du circuit dépend également de la vitesse maximale de commutation de ce second transistor, qui dépend à son tour des effets précités de l'emmagasinage des charges à la base, surtout si ce second transistor travaille en saturation quand il conduit. Dans ce cas, les limitations de vitesse qui en dérivent peuvent être notables, surtout pour les circuits de commutation intégrables monolithiquement comprenant un transistor de type PNP pour le pilotage du transistor final de puissance (qui, pour des motifs d'intégration, connus de l'homme de l'art, est généralement de type NPN), même quand celui-ci, dans l'état de conduction, travaille dans la zone active de son domaine de fonctionnement, les transistors intégrés de type PNP ayant en effet une phase d'extinction plus longue que celle des transis- tors de type NPN. Des solutions de montage pour permettre un écoulement rapide, au moment de l'extinction d'un transistor, des charges qui y sont emmagasinées sont décrites par exemple dans les demandes de brevet britanniques n 2 053 606 et no 1 560 354. En particulier, il est décrit, dans la demande de brevet italien- ne n 25054 A/81 de la même Demanderesse, une solution de mon- tage pour réduire le temps d'extinction d'un transistor final de puissance, piloté à la commutation au moyen d'un autre! transistor raccordé à sa borne de commande. Dans le but d'augmenter la fréquence maximale possible de commutation et d'améliorer le rendement d'ensemble du circuit, il est raccordé, aux bornes de commande des deux transistors, un élément de circuit pour l'extraction de charges, élément qui n'est habilité à l'extraction de charges que pendant une période de temps déterminée à partir du début de l'extinction des tran- sistors, afin d'éviter les retards dans le rallumage subséquent de ceuxci. De cette manière, on évite également une absorption inutile de courant d'alimentation pour maintenir actif l'élément de circuit d'extraction de charges, lorsque le transistor final est déjà complètement éteint. La durée de la période d'habilitation, qui peut être fixée à volonté au préalable, est déterminée indépendamment de l'état des deux transistors en commutation. Le but de la présente invention est de réaliser un circuit de commutation intégrable monolithiquement, dont le rendement d'ensemble soit plus élevé que celui des circuits de commutation connus. Ce but est atteint avec un circuit de commutation, inté- grable monolithiquement, à rendement élevé, comprenant un transistor final de puissance piloté à la commutation au moyen d'un second transistor raccordé à sa borne de commande. Des éléments de circuit pour l'extraction de charges sont raccordés aux bornes de base des deux transistors; ils sont activés par un circuit d'habilitation qui présente une borne de commande et une borne d'entrée reliée à la borne de collecteur d'un troisiè- me transistor dont les bornes d'émetteur et de base sont raccor- dées respectivement à la borne d'émetteur et à la borne de base du second transistor. L'invention pourra être mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui suit, donnée purement à titre d'exem- ple et par conséquent non limitative, en référence au dessin ci-annexé, dont l'unique figure est le schéma d'un circuit de commutation suivant l'invention. Le schéma d'un dircuit de commutation suivant l'invention, représenté sur la figure, comprend un premier transistor bipolai- re T1 de type NPN, qui est le transistor final du circuit au moyen duquel on peut commander en commutation une charge, cons- tituée par exemple par une inductance ou par un autre transistor. La borne de collecteur du transistor T1 est branchée sur le p8le positif +Vcc d'un générateur de tension d'alimentation, tan- dis que sa borne d'émetteur constitue la borne de sortie S à laquelle est raccordée une charge, non représentée sur la figure. Une résistance R1 est intercalée entre les bornes de base et d'émetteur du transistor T1. Un second transistor T2, de type PNP, a ses bornes d'émetteur et de collecteur raccordées respectivement au p8le positif +V0c et à la borne de base du transistor T1. La borne de base du transistor T2 est reliée à des éléments de circuit, représentés sur la figure par un bloc désigné par la lettre C, propres à déterminer l'état de conduction et l'état de blocage de ce transistor et réalisés de façon connue dans la technique. Le schéma du circuit représenté sur la figure comprend ensuite un troisième T3 et un quatrième T4 transistors bipo- laires, tous deux de type PNP, ainsi qu'un cinquième T5 et un sixième T6 transistors bipolaires, tous deux de type NPN. La borne d'émetteur et la borne de base du transistor T3 sont raccordées respectivement à la borne d'émetteur et à la borne de base du transistor T2. La borne de collecteur du transistor T3 est reliée à la borne d'émetteur du transistor T4 et à l'anode d'une diode D4 dont la cathode est raccordée à la fois à la borne de base du quatrième transistor T4 et à la borne d'émetteur du premier transistor T1. La borne de base du transistor T5, désignée par le symbole EN, est reliée sur la figure au bloc C au moyen d'une ligne de tirets. En effet, le transistor T5 est en général activé par les éléments de circuit C lorsque ceux-ci déterminent le blocage des transistors T2 et T1; toutefois, il peut aussi être complètement indépendant de ces éléments de circuit. Ou bien la borne EN peut être raccordée aux éléments de circuit C de telle manière que les mêmes signaux de commande appliqués à cette borne désactivent les éléments de circuit eux-mêmes. Les bornes d'émetteur et de collecteur du transistor T5 sont reliées respectivement au pôle négatif -Vcc du générateur de tension d'alimentation et à la borne d'émetteur du transistor T6. La borne de collecteur du transistor T4 est raccordée à la fois à la borne de base du transistor T6 et, par l'intermédiaire d'une résistance R6, à la borne de collecteur du transistor T5. Un circuit de commutation selon l'invention comprend en outre un septième T7 et un huitième T8 transistors bipolaires, tous deux de type PNP, ainsi qu'un neuvième transistor bipolaire T9, de type NPN. Les bornes de base des transistors T7 et T8 sont raccordées l'une et l'autre à la borne de collecteur du transistor T6 et, par l'intermédiaire d'une résistance R7, au pôle positif +Vcc. Les bornes d'émetteur des transistors T7 et T8 sont raccor- dées l'une et l'autre au pôle positif +Vcc. La borne de collecteur du transistor T7 est reliée aux bornes de base du transistor T2 et du transistor T3. La borne de collecteur du transistor T8 est raccordée à la borne de base du transistor T9 et à l'anode d'une diode D9, dont la cathode est reliée au pôle négatif -Vcc. De même, la borne d'émetteur du transistor T9 est branchée sur le p8le négatif -Vcc. La borne de collecteur du transistor T9 est raccordée à la cathode d'une diode D10 dont l'anode est reliée à la borne de collecteur du transistor T2 et à la borne de base du transistor T1. On considérera maintenant le fonctionnement d'un circuit de commutation selon l'invention, dont le schéma est représenté sur la figure. Ce circuit comprend des éléments de circuit pour l'extrac- tion de charges, constitués par le transistor T7, dont la borne de collecteur est raccordée aux bornes de base des transistors T2 et T3, et par le montage à réflexion de courant constitué par le transistor T8, la diode D9 et le transistor T9, dont le collecteur est raccordé par l'intermédiaire de la diode D10à la borne de base du transistor T1 et à la borne de collecteur du transistor T2. Lorsque ces éléments de circuit sont activés, ils permet- tent un écoulement rapide des charges emmagasinées dans les transistors T1 et T2, en absorbant en outre tout le courant de collecteur du transistor T2. De cette manière, l'extinction du transistor final T1 peut se produire très rapidement. La diode D10 sert à empêcher une éventuelle recirculation de courant à partir du collecteur du transistor T lorsqu'il est créé dans une charge inductive, au moment de l'extinction du transistor T1, une force électromotrice propre à abaisser les potentiels d'émetteur et de base du transistor T1 au-dessous du potentiel du p8le négatif -V.c. Les éléments de circuit pour l'extraction de charges sont activée, à travers les bornes de base des transistors T7 et T8, par un circuit d'habilitation constitué par les transistors T4, T5, T6, pat-la diode D4 et par leurs jonctions. Ce circuit remplit la fonction d'un circuit logique ET. La borne d'émetteur du transistor T4, à laquelle est reliée l'anode de la diode D4, constitue une borne d'entrée de ce circuit d'habilitation, tandis que la borne de base du transistor T5 constitue une borne de commande EN et que la borne de collecteur du transistor T6 constitue une borne de sor- tie pour l'activation des éléments de circuit pour l'extraction de charges. Le circuit d'habilitation n'est en mesure d'activer ces éléments de circuit que quand le transistor T3 est en conduction et qu'en même temps, à travers la borne de commande EN, le transistor T5 est habilité à conduire. En effet, lorsque le transistor T5 n'est pas habilité à conduire, le transistor T6 est lui aussi bloqué, ce qui fait que dans les conditions normales de polarisation, il ne pourrait en aucun cas passer de courant à travers lui, un éventuel écoulement de courant à travers le transistor T5 étant interdit. Par contre, le transis- tor T4 agit comme une diode entre les bornes d'émetteur et de base. En conséquence, même si le transistor T3 est en conduction, il n'y a aucun risque que pendant la phase de conduction des transistors T1 et T2, les éléments de circuit pour l'extraction de chargea soiemt activée, puisque le transistor T5 n'est 7 2583940 habilité à conduire par les éléments de circuit C que quand ces éléments commandent l'extinction des transistors T2 et T1: Le courant de collecteur du transistor T3 est en outre réutilisé, à travers la diode D4 et la jonction émetteur-base du transistor T4, pour piloter la charge raccordée à la borne de sortie du circuit, ce qui fait qu'il n'y a aucun gaspillage de courant d'alimentation. D'autre part, lorsque les transistors T1 et T2 sont dans la phase de blocage et qu'en conséquence, le transistor T est maintenu lui aussi éteint par les éléments de circuit C, les transistors T4 et T6 sont bloqués, n'étant pas alimentés à la base. Pour cette raison aussi, si le transistor T5 était habilité à conduire, il ne- pourrait également pas passer de courant à travers lui, à cause de l'état de blocage du transistor T6 et, par conséquent, les éléments de circuit pour l'extraction de charges resteraient désactivés en toute sécurité dans ce cas également et, en outre, il n'y aurait non plus aucune absorp- tion de courant d'alimentation. Mais lorsque les éléments de circuit C commandent la 0 commutation des transistors T2 et T à partir d'un état de con- duction vers un état de blocage et qu'en même temps, le tran- sistor T5 est habilité à la conduction à travers la borne de commande EN, il subsiste, pendant la période transitoire d'ex- tinction du transistor T3, identique à celle du transistor T2, des conditions qui déterminent l'activation des éléments de circuit pour l'extraction de charges. Les transistors T5, T6 et, en conséquence, T4 peuvent per- mettre un passage ininterrompu de courant, ce qui fait que tant que le transistor T3 est en conduction, son courant de collec- teur peut passer, à travers le transistor T4, en partie dans la base du transistor T6 et en partie dans le transistor T5 à travers la résistance R6. Pour cette raison également, ces tran- sistors T5 et T6 sont effectivement en conduction, activant ainsi tous les éléments de circuit pour l'extraction de charges qui leur sont raccordés. Mais dès que la période transitoire d'extinction est achevée, le transistor T2 et par suite aussi le transistor T3 qui lui est raccordé sont complètement éteints et les transistors T4 et T6, n'étant plus alimentés à la base, cessent de conduire, indépendamment du fait que le transistor T5 reste ou ne reste pas habilité à conduire à travers la borne de commande EN. Pour cette raison, tous les éléments de circuit pour l'ex- traction de charges sont immédiatement désactivés, jusqu'à une nouvelle période transitoire d'extinction des transistors T et T1. Aucun élément actif ne reste allumé en absorbant du courant d'alimentation. Du fait que le transistor T2, de type PNP, a un temps d'extinction intrinsèquement supérieur à celui du transistor T1 de type NPN, la durée de l'activation des éléments de circuit pour l'extraction de charges, basée exactement sur la période transitoire d'extinction du transistor T2, est optimisée. En outre, les transistors T2 et T1 - l'action des éléments de cir- cuit pour l'extraction de charges ayant été interrompue une fois que ces transistors sont complètement éteints - sont dans l'état optimal pour un réallumage extrêmement rapide, obtenu par exem- ple avec des solutions de montage du type décrit dans la demande de brevet italienne ne 23464 A/84 de la même Demanderesse, de tels montages pouvant être compris dans le circuit de commutation lui-même. De ce qui a été exposé, il ressort de façon évidente qu'un circuit de commutation selon l'invention, qui permet d'atteindre les plus grandes vitesses de commutation sans aucun gaspillage inutile de courant d'alimentation, a un rendement d'ensemble plus élevé que celui qui peut être obtenu avec d'autres circuits connus. D'autre part, on ne doit pas négliger la possibilité, dans des applications particulières, de rendre la conduction du tran- sistor T5 indépendante des éléments de circuit C, avec l'avantage de pouvoir placer le transistor final T1 dans un état préféren- tiel d'extinction, au moyen de la borne de commande EN, indépen- damment des éléments de circuit C. Bien qu'il n'ait été représenté et décrit qu'un seul exem- ple d'exécution de l'invention, il est évident que de nombreuses variantes sont possibles, sans que l'on sorte pour autant du ca- dre de la présente invention. Par exemple, la borne de base du transistor T et la cathode de la diode D4 pourraient être raccordées, non pas à la borne d'émetteur du transistor T1, mais au p8le négatif -V.c par l'intermédiaire d'une diode Zener. De m9me, la résistance R6, au lieu d'être intercalée entre les bornes de base et d'émetteur du transistor T6, pourrait être intercalée entre la borne de base du transistor T6 et le p8le négatif -VcC. En outre, elle pourrait être remplacée par une diode. REVENDICATIONS 1. Circuit de commutation intégrable monolithiquement, compre- nant un premier transistor (T1) présentant une première et une seconde bornes et une borne de commande, l'une de ces première et seconde bornes étant raccordée à une première borne (+VCG) d'un générateur de tension d'alimentation, l'autre borne étant une borne de sortie (S) du circuit pour le raccordement & une charge, et un second transistor (T2) ayant une conductibilité d'un premier type et présentant une premièreetune seconde bornes et une borne de commande, raccordées respectivement à la pre- mière borne (+Vcc) du générateur de tension d'alimentation, à la borne de commande du premier transistor (T1) et à des éléments de circuit propres à déterminer l'état de conduction et l'état de blocage de ce second transistor (T2), caractérisé en ce qu'il comprend un troisième transistor (T3) ayant une conducti- bilité du premier type et présentant une première et une seconde bornes et une borne de commande, la première borne et la borne de commande du troisième transistor (T3) étant raccordées res- pectivement à la première borne et à la borne de commande du second transistor (T2), un circuit d'habilitation (T4, T5, T6) présentant une borne d'entrée, raccordée à la seconde borne du troisième transistor (T3), une borne de commande (EN) et une borne de sortie, et des éléments de circuit pour l'extraction de charges (T7, T8, T9), raccordés aux bornes de commande du premier (T1), du second (T2) et du troisième (T3) transistors et présentant une borne d'activation qui est raccordée à la borne de sortie du circuit d'habilitation, ce circuit d'habili- tation (T4, T5, T6) étant capable d'activer ces éléments de circuit d'extraction de charges (T7, T8, T9)uniquement quand un signal de commande est appliqué à sa borne de commande (EN) et qu'en même temps le troisième transistor (T3) est en conduction. 2. Circuit de commutation selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le circuit d'habilitation comprend un quatrième (T4), un cinquième (T5) et un sixième (T6) transistors présen- tant chacun une premièreetune seconde bornes et une borne de commande, le quatrième transistor (T4) ayant une conductibilité du premier type, le cinquième (T5) et le sixième (T6) transis- tors ayant une conductibilité d'un second type, opposé au pre- mier, la première borne du quatrième transistor (T4), la borne de commande du cinquième transistor (T5) et la seconde borne du sixième transistor (T6) étant respectivement la borne d'entrée, la borne de commande (EN) et la borne de sortie du circuit d'habilitation, la première borne du cinquième transistor (T5) étant raccordée à une seconde borne (-Vcc) du générateur de tension d'alimentation, une première diode (D4) étant intercalée entre la première borne et la borne de commande du quatrième transistor (T4), la borne de commande de ce quatrième transistor (T4) étant raccordée à la borne de sortie (S) du circuit de commutation, la seconde borne du quatrième transistor (T4) étant raccordée à la borne de commande du sixième transistor (T6) et étant reliée, par l'intermédiaire d'un élément de cir- cuit de type résistif, à la fois à la seconde borne du cinquiè- me transistor (T5) et à la première borne du sixième transistor (T6). 3. Circuit de commutation selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le circuit d'habilitation comprend un quatrième (T4),un cinquième (T5) et un sixième (T6) transistors présentant chacun une premièreetune seconde bornes et une borne de commande, le quatrième transistor (T4) ayant une conductibilité du premier type, le cinquième (T5) et le sixième (T6) transistors ayant une conductibilité d'un second type, opposé au premier, la première borne du quatrième transistor (T4), la borne de commande du cinquième transistor (T5) et la seconde borne du sixième transis- tor (T6) étant respectivement la borne d'entrée, la borne de commande (EN) et la borne de sortie du circuit d'habilitation, la première borne du cinquième transistor (T5) étant raccordée à une seconde borne (-Vcc) du générateur de tension d'alimenta- tion, une première diode (D4) étant intercalée entre la première borne et la borne de commande du quatrième transistor (T4), la -.pueAea sep enbuootenb auntl uoles uol:ulnmmoo op l;nço.z0 -2 &(O(a) apolp emoTsToal aunp oaTeTputaoauZ l asud (L) aooSt!useil jaelmaJd up eputumoo op auaoq BI sopaooooBa ouso9 (6l) ao0 -stsuesa amTUAnau up aujoq opuooos sT 'uoqu4ueom!lsup uoTsuau op g5 Uonqsauo9 np (DDA-) euooq Opuooes uT Q (6CE) opoTp apuooas Ounp a.Ts.pgmaoluT' aud 'o (6&) aosçsueao 'elanaou np oprsmmoo op euauoq c l t ag9pjooouJ,usq, (8&) J01oo Usiuq amSUlnxt np Oujoq apuooos el sgaoqs gues- ( &) OM1U9ooaq np ae (el) puooas np epurm moo op sauooq xnu epaooouz.uesq (L) atsd ewmdegos np O0 eujoq epuooeas -l uoT:ou9oe t[sp uoqu5a. op imnaue8q uI9 np (33A-) aujoq apuooos El le aepaoooBa:urg (6f) JogsQ.sUa Ome:Anou np aujoq aJtmoad el 'uo'; o4uemTlu:p uoTsuao op Jnaeuz9ug npp om'?Tqnq np IO L.) omt ldesa np sauaoq soa2maid sea 'sgoauqo gz ap uoqooaJqXO&p InoJto Op squm,919 sOp UOT:BAI. 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Circuit de commutation selon la revendication 6, caractérisé en ce que les transistors qui y sont compris sont des transistors bipolaires, le premier (T1), le cinquième (T5), le sixième (T6) et le neuvième (T9) transistors étant de type NPN, le second (T2), le troisième (T3), le quatrième (T4), le septième (T7) et le huitième (T8) transistors étant de type PNP.