Brevet FR2591831A1 — publié le 19870619

Circuit de commande rapide de transistors à effet de champ de puissance La présente invention concerne un circuit de commande rapide de transistors à effet de champ de puissance. Elle s'applique à la réalisation des alimentations et convertisseurs à découpage ainsi qu'à celle des dispositifs de commande de moteur à courant continu. Les transistors de puissance qui sont utilisés dans ces applications doivent pouvoir commuter rapidement pour réduire les pertes d'énergie et augmenter la fréquence de découpage. La réduction des pertes (d'énergie permet d'augmenter le rendement, de simplifier les systèmes de refroi- dissement et daugmenter la fiabilité. L'augmentation de la fréquence de découpage permet de réduire l'encombrement et le prix des inductances des transformateurs ainsi que des condensateurs utilisés et augmente la rapidité de réponse des systèmes asservis. Cependant, l'évolution de ces dispositifs est freinée par deux obstacles principaux qui limitent la rapidité de commutation des transis- tors à effet de champ, et qui sont dus aux valeurs excessives des capacités d'entrée, grille-source CGS et drain-grille CDG, la première (CG) par simple effet capacitif et la seconde par effet Miller. Ces deux capacités, augmentent les temps de montée des signaux de commande appliqués sur les entrées de grilles des transistors à effet de champ et minorent le temps nécessaire pour passer de la tension VGS(off) pour laquelle le transistor est dans l'état bloqué à la tension VGS(on) pour laquelle il se trouve dans l'état passant. Pour réduire le temps d'ouverture ou de fermeture d'un transistor à effet de champ de puissance une solution connue consiste à augmenter le courant traversant la grille du transistor. Elle conduit à intercaler un amplificateur de courant à commutation rapide entre le circuit de commande et la grille du transistor de puissance, mais cette solution rencontre quelques difficultés d'adaptation lorsque dans certaines réalisa- tions il faut intercaler une isolation galvanique entre le circuit de commande et la grille. Cette situation se rencontre notamment lorsque, pour une alimentation statique à courant continu, par exemple, la configuration du hâcheur est telle que la source d'un ou plusieurs transistors de puissance est portée à un potentiel important ou variable ou lorsque, pour des considérations de sécurité, il est nécessaire crd'isoler le circuit hâcheur du secteur par un photocoupleur ou par un transformateur. Si un photocoupleur permet la transmission du signal à létat d'information il a l'inconvénient qu'il doit être suivi d'un amplificateur rapide alimenté par une source d'énergie elle-même galvaniquement isolée, ce qui complique ce type de réalisation. Un transformateur par contre supprime cet inconvénient, mais pour être efficace il doit posséder une inductance de fuite réduite pour avoir une réponse compatible avec le temps de commande de quelques nanosecondes des transistors à effet de champ de puissance, ce qui rend onéreux ce type de réalisation. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un circuit de commande rapide de transistors à effet de chhmp de puissance comprenant, un transformateur à enroulements primaire et secondaire pour transmettre des signaux de commande sur les grilles des transistors à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend également - des moyens de stockage d'énergie couplés au transformateur pour emmagasiner à Papparition des signaux de commande l'énergie nécessaire à la commande des grilles des transistors à effet de champ, - et des moyens de transmission couplés au transformateur et alimentés en énergie par les moyens de stockage pour appliquer les signaux de commande, fournis par le transformateur, avec une énergie suffisante pour commander les grilles des transistors à effet de champ. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui va suivre faite au regard des dessins annexés qui représentent: - les figures 1 et 2 des courbes illustrant le comportement d'un transistor à effet de champ de puissance à un signal de commande appliqué sur son électrode de grille; - la figure 3 lorganisation connue pour commander un transistor de puissance à effet de champ; - la figure 4 une représentation d'un signal de commande - la figure 5 un schéma de réalisation d'un dispositif de commande à transformateur de type "push-pull" de deux transistors à effet de champ de puissance; - la figure 6 un-exemple de réalisation d'un circuit de commande rapide à transistors à effet de champ de puissance selon l'invention. Les courbes représentées aux figures I et 2 illustrent l'évolution générale connue de la tension grille-source VGS d'un transistor à effet de champ en fonction du courant grille I qui lui est appliqué par son circuit de commande de grille extérieur. Ces courbes résultent du fait que les deux capacités d'entrée, grille-source CGS et drain-grille CDG d'un dVGs transistor limitent la dérivée GS de la tension grille-source VGS par rapport au temps t applicable à la grille par le circuit de commande et minorent le temps nécessaire pour passer de la tension de grille VGS(off) = 0 à la tension de grille VGS(on), et le temps de passage de la tension VGS(on) à la tension VGS(off) (commutation à l'ouverture). Le temps de passage de VGS(off) à VGS(on) est en première approximation égal à la somme des temps de charge de. la capacité d'entrée CGS et du temps de décharge de la capacité drain-grille CDG. Sur les figures 1 et 2 la capacité grille-source CGS se charge entre les instants to et t en recevant une quantité d'électricité Q1 puis, entre les instants t2 et t3 en recevant une quantité d'électricité Q3 et la capacité drain-grille se décharge entre les instants t1 et t2 en restituant une quantité d'électri- cité Q2. Entre les instants t e t la totalité du courant de grille Ig passe au travers de la capacité -grille-source CGS. Au temps t1 la quantité d'électricité Q1 emmagasinée dans la capacité grille-source CGS vérifie l'équation: Q= t I.dt g Entre les instants t1 et t2 la capacité grillesource CGS reçoit un courant nul et la capacité drain-grille CDG reçoit la totalité du courant de grille Ig. Au temps t2 la quantité d'électricité qui est emmagasinée dans la capacité drain-grille CDG vérifie l'équation t2 Q2= 2 9d Entre les instants t2 et t3 la totalité du courant de grille I s'écoule dans la capacité grille-source CGS. Au temps t3 la quantité d'électricité emmagasinée dans la capacité grille-source CGS vérifie réquation rt3 Q3 ft3 Ig.dt. 3 t2 g Dans le cas général, la fonction I = f(t) étant inconnue et il n'est g pas possible de calculer sa primitivej5Ig.dt. Mais comme les états initiaux et finaux to et t3 sont eux définis et qu'en première approximation le courant Ig peut être considéré comme à peu près constant dans ces g intervalles, il est possible de poser =l Ig.dt [1g]= 1g (t t J't2 [I. dt= tI 2 2 [ t2 Jft2 1g*dt =[i2:2 I2g (t2 - tY) s- t 3 t2 Ig dt 13g:= I3g (t3 - t2) 11(g), I2(g) et 13(g) sont des primitives respectives des fonctions Ig(t) définies aux instants to à t1, tI à t2 et t2 à t3. Ces intervalles de temps sont définis par les relations t,, QI VGS(M)'CGS o 0lg Ilg t-t=Q2 VDS(off)'GGD t2 - t= --= I2g 2g t3_-t2 =Q3 VGS(on) VGS(M) CGS I3g I3g Le temps total de commutation est dans ces conditions égal à tc = t3 - to et égal t3 - t2 + t2 - t + t to soit encore: VGS(M) 'CGs- VDS(off) CGD VGS(on) - VGS(M) CGS tc - + + lg I2g I3g L'ensemble de ces relations fait apparaître que les temps néces- saires à l'ouverture ou à la fermeture d'un transistor à effet de champ peuvent être réduits en augmentant la valeur de la primitive I2g Mais les dispersions de la tension VGSth qui représente la tension grille-source de seuil, d'une part, et la nécessité d'une rapide immunité au bruit à la fermeture comme à l'ouverture d'autre part, amènent également à augmenter les valeurs des primitives 1(g) et 13(g). Ainsi, pour profiter d'un des principaux avantages d'un transistor à effet de champ conféré par sa rapidité, il faut renoncer à l'avantage important procuré par ses facilités de commande en tension. En prenant, par exemple, le cas d'un transistor type IRF350, et en tenant compte du fait que ses capacités grille-source CGS et drain-source CDS ne peuvent pas être considérés comme des constantes pour des tensions VDS com- prises entre 0 et 50 volts, la quantité d'électricité à appliquer sur la grille pour obtenir une commutation complète est de Qc = 120 nanocoulons. Pour réaliser une commutation dans ces conditions en un temps (t3 -to) 4 60 nanosecondes, le courant 1 doit être égal à _QC 120 nanocoulons 2 am res g t3-to 60 nanosecondes = 2 ampères. Ceci amène, dans les solutions connues, à intercaler des amplifi- cateurs de courant à commutation rapide I entre les circuits de com- mande 2 des transistors de puissance à effet de champ 3 de la façon qui est représentée à la figure 3, alimentés entre un potentiel VA de tension et un circuit de masse M. Mais ces solutions lorsqu'elles sont mises en oeuvre en réalisant un isolement galvanique à l'aide d'un transformateur, sont coûteuses. D'autre part, les selfs de fuite L des transformateurs doivent être réduites le plus possible pour être compatibles avec les temps de commande de quelques dizaines de nanosecondes des transistors à effet de champ. La solution proposée par l'invention consiste à intercaler entre chaque transformateur et récepteur de signal à transistor à effet de champ de puissance au moins un élément qui: 1) demande de l'énergie au transformateur pendant les phases non significatives du signal et emmagasine cette énergie, 2) reçoit les phases significatives du signal en présentant une impédance infinie sans commander par conséquent d'énergie au transfor- mateur et sans affecter le signal et enfin, 3) transmet ce signal avec l'Pénergie nécessaire au récepteur envisagé, cette énergie étant prélevée sur le stock d'énergie réalisé pendant les phases non significatives du signal. Ce principe peut, non seulement, s'appliquer aux réalisations de commandes de récepteurs de signaux avec des dispositifs selon l'invention intercalés entre un enroulement secondaire d'un transformateur four- nissant le signal de commande et chaque dispositif récepteur de signal, mais encore, s'appliquer comme cela est représenté à la figure 5 à plusieurs dispositifs 5, 6, selon l'invention, interposés entre des récepteurs de signaux formes par deux transistors 8, 9 montés en "pushpull" série débitant sur une charge commune 10 représentées en pointillés; et des enroulements secondaires notés respectivement 72 et 73 de transforma- teurs 7 dont le primaire 71 est commandé par des signaux de type rectangulaire, de la forme de celui qui est représenté à la figure 4, ayant des alternances positives et négatives durant des intervalles de temps A et C respectivement et une amplitude nulle durant un intervalle de temps B intermédiaire entre les intervalles A et C. Un exemple de réalisation des circuits 5 et 6 est représenté à la figure 6. Le circuit selon l'invention qui est représenté à la figure 6 est placé entre un transformateur de signal Il comportant deux enroule- ments, primaire et secondaire, notés respectivement Il et 112, et un récepteur de signal représenté sur là figure 6 par un demi-étage 12 d'un "push-pull" série de puissance, l'autre demi-étage 13 étant en pointillés. Le récepteur de puissance est commandé par deux étages "MOSFET" montés en série 14 et 15 dont les grilles sont reliées respectivement, l'une directement à une borne A de l'enroulement secondaire 112 et l'autre au travers cdun condensateur 16 et d'une résistance 17 montés en parallèle. Les condensateurs 18 et 19 sont montés en parallèle aux bornes du secondaire 112 au travers de deux diodes 20 et 21 reliées respectivement par une anode et une cathode à la borne A pour former avec les condensateurs 18 et 19 un doubleur de tension. En supposant-qu'un signal du type de celui qui est représenté à la figure 4 soit appliqué au primaire 111 du transformateur 11, le fonc- tionnement du circuit représenté à la figure 6 est le suivant. Ce signal, en apparaissant aux bornes de l'enroulement secondaire 1 1 2, charge les condensateurs 18 et 19 pendant les instants marqués A et C sur la figure 4 au travers des diodes 20 et 21 à ses valeurs crêtes, les transistors 14 et 15 étant fermés respectivement pendant les intervalles de temps A et C du signal. Les courants de charge des condensateurs 18 et 19 sont nuls pendant les fronts montants et descendants du signal qui dans ces conditions n'est pas affecté. L'énergie nécessaire au fonctionnement des transistors 14 et 15 qui sont montés en source suiveuse, est ensuite fournie par les condensateurs 18 et 19 qui se trouvent alors isolés du secondaire 112 par les diodes 20 et 21 pendant les phases significatives du signal, les transistors 14 et 15 étant ouverts respectivement pendant les intervalles de temps C et A. De la sorte, aucune énergie n'est prise sur le transformateur pendant les phases significatives du signal. Pour rendre le circuit selon l'invention encore plus efficace, il sera possible de choisir les capacités cdentrée des transistors 14 et 15 de façon qu'elles soient de l'ordre de 100 fois plus faible que celle des transistors de puissance 12 pour résoudre les problèmes de temps de montée et d'amortissement. De même, les valeurs des résistances 17, 22 et du condensateur 16 seront choisies pour polariser efficacement le transistor 15 afin de compenser les tensions de seuil VGSth et à abaisser le palier du signal en-dessous du 0 de tension pour augmenter l'immunité au bruit. REVENDICATIONS 1. Circuit de commande rapide de transistors à effet de champ de puissance comprenant un transformateur à enroulement primaire (111) et secondaire ( 12) pour transmettre des signaux de commande sur les grilles de transistors à effet de champ (12, 13) caractérisé en ce qu'il comprend également: - des moyens de stockage d'énergie (18, 19) couplés au transfor- mateur (11) pour emmagasiner, à Papparition des signaux de commande Pénergie nécessaire à la commande des grilles des transistors à effet de champ (12, 13) - et des moyens de transmission (14, 15) couplés au transforma- teur (11) et alimentés en énergie par les moyens de stockage (18, 19) pour appliquer les signaux de commande, fournis par le transformateur (11) avec une énergie suffisante pour commander en courant les grilles des transistors à effet de champ (12, 13). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de stockage d'énergie (18, 19) comprennent au moins un condensa- teur monté en parallèle aux bornes de ienroulement secondaire (1 12) du transformateur au travers d'au moins une diode (18, 19). 3. Circuit de commande selon rune quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de transmission sont constitués par les transistors à effet de champ (15) montés en étage suiveur de tension alimentés par les moyens de stockage (18, 19). 4. Circuit de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de transmission (14, 15) sont constitués par un étage de type "push-pull" formé par deux transistors à effet de champ (14, 15) complémentaires montés en série et dont les électrodes de source sont reliées à au moins une grille des transistors à effet de champ (12, 13) de puissance à commander.