Brevet FR2590749A1 — publié le 19870529

Interrupteur bidirectionnel statique et son application notamment à un dispositif de mesure de tension La présente invention concerne un interrupteur bidirectionnel statique. Pour la plupart, les composants semi-conducteurs disponibles pour réaliser la fonction d'interrupteur statique sont unidirectionnels en courant. I1 en est ainsi des diodes, thyristors et transistors bipolaires ou à effet de champ. Certains sont bidirectionnels en tension, c'est-à-dire capables de bloquer une tension directe comme une tension inverse ; c'est le cas des thyristors. I1 existe un composant bidirectionnel à la fois en courant et en tension. I1 s'agit du triac. Mais il n'est commandable qu'à l'amorçage. En l'absence de composant simple qui soit bidirectionnel en courant et en tension et commandable tant à l'ouverture qu'à la fermeture, cette fonction a été jusqu'ici réalisée par des montages dont deux exemples sont illustrés par les figures 1 et 2. Dans le cas de la figure 1, les deux bornes de l'interrupteur sont reliées à deux sommets opposés d'un pont de diodes. L'ouverture et la fermeture sont commandées par le blocage ou le déblocage d'un transistor bipolaire ou à effet de champ branché entre les deux autres sommets du pont. Dans le cas de la figure 2, deux interrupteurs unidirectionnels comprenant chacun une diode en série avec un transistor bipolaire ou à effet de champ sont branchés de façon anti-parallèle entre les deux bornes de l'interrupteur. Dans les deux exemples ci-dessus, la présence de diodes entraine l'existence d'un seuil de conduction dû à la chute de tension directe d'une diode. Cette chute de tension, qui existe quelle que soit la valeur du courant traversant la diode, engendre des pertes et peut meme interdire l'utilisation du montage pour des applications où un courant doit varier linéairement en fonction d'une tension appliquée. De plus, dans le deuxième cas, il faut prévoir deux commandes distinctes pour les bases des transistors. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de fournir un interrupteur statique qui soit bidirectionnel en courant et en tension et commandable à l'ouverture et à la fermeture, tout en ne présentant pratiquement pas de seuil de conduction et de pertes. Ce but est atteint conformément à l'invention au moyen d'un interrupteur comprenant deux mêmes transistors à effet de champ ayant leurs électrodes de drain respectivement reliées aux bornes de l'interrupteur, leurs électrodes de source reliées l'une à l'autre et leurs électrodes de grille reliées en commun à une entrée de commande,- de sorte qu'il n'apparait pas de seuil de conduction dans l'état passant. La mise en série dos à dos de deux transistors commandés simultanément permet d'obtenir le résultat recherché avec un nombre de composants réduit à deux, et ce en dépit de l'existence d'une diode parasite entre drain et source de chaque transistor. En effet, lorsque les transistors sont bloqués, les diodes parasites en série dos à dos ne peuvent conduire aucun courant et le dispositif peut bloquer une tension positive aussi bien que négative. Lorsque les transistors sont conducteurs, l'ensemble du dispositif est conducteur et peut véhiculer un courant dans un sens ou dans l'autre. La conduction des deux diodes -de performances médiocres- est toujours évitée, d'ou l'absence, recherchée, de seuil de conduction.Par ailleurs, puisque les deux transistors doivent être commandés ensemble et qu'ils sont de même type, leurs grilles sont reliées pour permettre une commande unique, de plus facilement isolable. En raison des faibles pertes qu'il entraîne, l'interrupteur bidirectionnel conforme à l'invention est particulièrement apte à être utilisé dans des convertisseurs statiques de puissance, tels que les redresseurs-onduleurs et, plus généralement, les cycloconvertisseurs, dont ils augmentent le rendement. Selon un autre aspect de l'invention, en raison de l'absence de seuil de conduction, l'interrupteur est également avantageusement utilisable dans un dispositif de mesure de tension comportant - un premier interrupteur bidirectionnel connecté en série avec un primaire d'un transformateur entre deux bornes où est appliquée la tension à mesurer, - un second interrupteur bidirectionnel connecté entre une extrémité du secondaire du transformateur et une borne d'un condensateur dont l'autre borne est reliée à l'autre extrémité du secondaire, et - un circuit pour commander le premier et le second interrupteurs bidirectionnels en synchronisme afin de mémoriser périodiquement dans le condensateur une information analogique représentative de la tension à mesurer, - au moins le premier interrupteur bidirectionnel étant conforme à l'invention. D'autres particularités et avantages de l'interrupteur selon l'invention et de ses applications ressortiront à la lecturede la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - les figures 1 et 2, déjà décrites, montrent des interrupteurs statiques bidirectionnels de l'art antérieur, - la figure 3 est un schéma d'un mode de réalisation d'un interrupteur statique bidirectionnel selon l'invention, - la figure 4 montre les courbes représentant la relation entre le courant traversant un transistor à effet de champ à grille isolée et la différence de potentiel entre drain et source, pour une tension entre grille et source VGS positive, et pour une tension VGS nulle, - la figure 5 est un exemple d'application des interrupteurs bidirectionnels selon l'invention dans un redresseur-onduleur monophasé, et, - la figure 6 est un schéma d'un dispositif de mesure de tension selon une autre application d'un interrupteur bidirectionnel selon l'invention. La figure 3 illustre un interrupteur utilisant deux transistors T1 et T2 identiques du type à effet de champ à grille isolée (MOSFET) à canal n et à enrichissement. Les bornes B1, B2 de l'interrupteur sont reliées respectivement aux drains D1 et D2 des transistors T1, T2. Ceux-ci sont branchés en série dos à dos, leurs sources S1 et S2 étant reliées l'une à l'autre. Les grilles G1 et G2 des transistors T1 et T2 sont reliées en commun à un circuit de commande unique.Celui-ci, dans l'exemple illustré, utilise de façon en soi connue un transformateur d'impulsions dont le primaire P reçoit des impulsions de commande I et dont le secondaire S est branché entre le point commun aux sources S1, S2 et le point commun aux grilles G1, G2, éventuellement en série avec un circuit comprenant une résistance R en parallèle avec une diode D. L'isolation de la commande par transformateur d'impulsions évite le recours à une alimentation auxiliaire pour le fonctionnement de l'interrupteur. Sur la figure 3, sont encore représentées en tirets les diodes parasites DS1 et DS2 existant entre drain et source des transistors T1 et T2. La figure 4 montre qu'en fonctionnement classique (tension entre drain et source VDS > O et courant ID, 0), chaque transistor T1 ou T2 se comporte comme une résistance de valeur très élevée pour une tension entre grille et source VGS = O, ou de valeur très faible pour une tension VGS suffisamment positive. La relation entre le courant ID et la tension appliquée VDs est linéaire ; il n'y a pas de seuil et la chute de tension peut être inférieure à celle d'une diode. En polarisation négative (VDS 0, c'est le transistor proprement dit qui conduit et la chute de tension est plus faible. Aussi, si l'on considère à nouveau l'interrupteur de la figure 3, lorsque les transistors sont bloqués (VGS = O), les deux diodes en série ne peuvent conduire aucun courant et l'interrupteur peut bloquer aussi bien une tension positive qu'une tension négative. Lorsque les transistors sont conducteurs (VGS > 0), ils peuvent véhiculer un courant positif ou négatif. Les diodes ne conduisant pas, on obtient bien un interrrupteur bidirectionnel en courant et en tension sans seuil de conduction. Il en résulte des pertes plus faibles et un meilleur rendement par rapport aux dispositifs de l'art antérieur.De plus, la structure est plus simple et plus fiable puisqu'elle ne comporte que deux composants, ceux-ci pouvant être montés dans un même boîtier, et réalisés soit par juxtaposition de deux pastilles chacune formant transistor à effet de champ, soit par formation sur une même pastille des deux transistors à effet de champ. Un avantage supplémentaire consiste dans le fait que la chute de tension aux bornes de l'interrupteur est proportionnelle au courant, ce qui facilite, le cas échéant, la mesure du courant traversant l'interrupteur. Le mode de réalisation décrit ci-dessus utilise des transistors à effet de champ à grille isolée à canal n et à enrichissement qui sont du type de transistor à effet de champ de puissance le plus répandu. Toutefois, d'une façon plus générale, on pourra utiliser tout type de transistor à effet de champ, tel que les transistors à grille isolée tant à canal p qu'à canal n, soit à appauvrissement, soit à enrichissement, ou encore les transistors à grille non isolée. Du fait de leur faible niveau de perte, les interrupteurs bidirectionnels conformes à l'invention trouvent une application intéressante dans les convertisseurs de puissance tels que les redresseurs-onduleurs réversibles et, plus généralement, les cycloconvertisseurs. L'exemple le plus simple de redresseur-onduleur réversible quatre quadrants est illustré très schématiquement par la figure 5, dans le cas monophasé. Un transformateur T a d'un côté un premier enroulement L1 aux bornes duquel on trouve une tension alternative vl et, de l'autre côté un second enroulement L2. Une charge CH est branchée entre le point milieu de l'enroulement L2 et un point E. Deux interrupteurs bidirectionnels K1, K2 conformes à l'invention sont insérés entre le point E et, respectivement, chaque extrémité de l'enroulement L2. Un troisième interrupteur bidirectionnel K3 (illustré en tirets sur la figure 5) peut être branché aux bornes de la charge. En fonctionnement, les interrupteurs K1 et K2 et éventuellement K3 sont commandés de façon complémentaire .On notera que l'absence de seuil pour les interrupteurs selon l'invention permet un bien meilleur rendement à petite puissance, en comparaison avec un montage similaire utilisant des dispositifs interrupteurs bidirectionnels à transistors bipolaires. D'autre part, la commande de ces interrupteurs tant à la fermeture qu'à l'ouverture permet d'augmenter le facteur de pusissance par action sur le facteur de déplacement. De plus encore, le nombre de composants utilisés est diminué grâce à l'utilisation des interrupteurs selon l'invention. Un mode de réalisation d'un dispositif de mesure de tension constituant une autre application avantageuse de l'interrupteur selon l'invention est illustré par la figure 6. La tension U à mesurer est appliquée au primaire N1 d'un transformateur d'impulsions en étant découpée au moyen d'un interrupteur bidirectionnnel J1 branché en série avec le primaire N1. Un second interrupteur bidirectionnel J2 est branché entre une extrémité du secondaire N2 du transformateur d'impulsions et une borne d'un condensateur C dont l'autre borne est connectée à l'autre extrémité du secondaire N2. Un amplificateur A servant de circuit adaptateur ou tampon reçoit la tension aux bornes du condensateur C et délivre une tension de mesure V en sortie du dispositif. Une horloge H applique aux interrupteurs J1 et J2 des impulsions de commande pour provoquer périodiquement et en synchronisme l'ouverture et la fermeture des interrupteurs. L'isolation entre l'horloge H et l'interrupteur bidirectionnel J1 peut se faire au moyen d'un transformateur d'impulsion comme dans le cas de la figure 3. Lorsque l'interrupteur J1 est fermé, la tension U se retrouve, au secondaire N2, au rapport du nombre de spires entre celui-ci et le primaire N1. J2 étant également fermé, la tension est alors mémorisée dans le condensateur C et recopiée par l'amplificateur A. Les interrupteurs J1 et J2 doivent être bidirectionnels en courant et en tension. L'interrupteur J1 ne doit pas présenter de seuil de conduction pour éviter une erreur de mesure. I1 est donc constitué par un interrupteur selon l'invention tel que celui illustré par la figure 3. I1 peut en être de même, mais non nécessairement, pour l'interrupteur J2. A l'ouverture de J1, la démagnétisation du transformateur peut être obtenue au moyen d'un élément non linéaire NL, par exemple du type double diode Zener, branché aux bornes du primaire N1. La tension maximale appliquée à l'interrupteur J1 est égale à la somme de l'amplitude maximale de la tension à mesurer U et de l'amplitude maximale de la tension aux bornes du composant non linéaire, cette derniere tension étant telle qu'une démagnétisation complète du transformateur soit effectuée avant chaque nouvelle fermeture des interrupteurs J1 et J2. L'interrupteur J2 fonctionne à plus basse tension et peut être sous forme d'une porte analogique en circuit intégré. Le dispositif de mesure de tension décrit ci-dessus convient pour mesurer une différence de potentiel variable dont le spectre de fréquence s'étend du continu à des fréquences de quelques dizaines, voire quelques centaines de kilohertz, lorsqu'une isolation galvanique est nécessaire pour la mesure. REVENDICATIONS 1. Interrupteur statique bidirectionnel en tension et en courant commandable tant à l'ouverture qu'à la fermeture, caractérisé en ce qu'il comprend deux mêmes transistors à effet de champ (T1, T2) ayant leurs électrodes de drain (D1, D2) respectivement reliées aux bornes de l'interrupteur, leurs électrodes de source (S1, S2) reliée l'une à l'autre et leurs électrodes de grille (G1, G2) reliées en commun à une entrée de commande de sorte qu'il n'apparaît pas de seuil de tension dans l'état passant. 2. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transistors (T1, T2) sont du type à grille isolée. 3. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les électrodes de grille (G1, G2) sont commandées par un transformateur d'impulsions. 4. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est contenu dans un seul boîtier et réalisé par juxtaposition de deux pastilles formant chacune transistor à effet de champ. 5. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est contenu dans un seul boîtier réalisé par formation sur une meme pastille des deux transistors à effet de champ. 6. Dispositif de mesure de tension, caractérisé en ce qu'il comprend - un premier interrupteur bidirectionnel (J1) selon l'une quelconque des revendications précédentes connecté en série avec un primaire (N1) d'un transformateur entre deux bornes où est appliquée une tension (U) à mesurer, - un second interrupteur bidirectionnel (J2) connecté entre une extrémité du secondaire (N2) du transformateur et une borne d'un condensateur (C) dont l'autre borne est reliée à l'autre extrémité du secondaire, et - un circuit (H) pour commander le premier et le second interrupteur bidirectionnels périodiquement en synchronisme afin de mémoriser périodiquement dans le condensateur une information analogique représentative de la tension à mesurer. 7. Dispositif de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un élément non linéaire (NL) est branché aux bornes du primaire (N1) du transformateur pour démagnétiser le transformateur après chaque ouverture du premier interrupteur (J1).