Brevet FR2587157A1 — publié le 19870313

DISPOSITIF DE COMMUTATION DE TENSION L'invention a principalement pour objet un dispositif de commutation de tension. Le dispositif objet de la présente invention permet une commutation rapide de tension. Pour commuter des tensions élevées le dispositif selon l'invention utilise des transistors à effet de champ à grilles isolées appelés MOS dans la suite de ce brevet. Un transistor MOS disponible actuellement ne peut pas supporter sans détérioration des tensions supérieures à 1000 V. Pour effectuer des commutations des tensions plus importantes typiquement entre 1000 et 3000 V il est primordial qu'aucun des transistors mis en série n'ait à supporter des tensions supérieures aux tensions risquant de pro- voquer sa détérioration. Le dispositif objet de la présente invention répartit stati- quement et dynamiquement les tensions de façon à pouvoir fonc- tionner sans risque de détérioration ou de destruction. L'utilisation de transistors MOS permet de limiter la consommation électrique, une fois la commutation établie. Le dispositif objet de la présente invention est pratiquement apériodique, c'est-à-dire très peu sensible à l'état antérieur. Ainsi, le dispositif objet de la présente invention peut atteindre des hautes fréquences de commutation. Ceci permet l'application du dispositif selon l'invention à la commutation de tension sur les grilles de tubes électroniques, comme par exemple les tubes à ondes progressives (TOP) ou des klystrons. De même, la rapidité de la commutation permet de plus une haute fréquence de répétition. Par exemple pour une plage de valeur des temps de commutation comprise entre 0,8 lis et 40 Ils on obtient des fréquences de répétition comprises entre 0 et kHz. Le dispositif selon la présente invention présente l'avantage de ne pas exiger pour sa construction des composants triés. Ceci est permis par un équilibrage dynamique des tensions sur les divers transistors MOS mis en série. La présente invention a principalement pour objet un élément modulaire de commutation de tension, caractérisé par le fait qu'il comporte une première entrée et une première sortie connectées en parallèle à travers une diode polarisée en directe, une résistance, un condensateur et une résistance mis en série, et une seconde entrée reliée à la source d'un transistor à effet de champs à grille isolée de puissance, une seconde sortie reliée au drain dudit transistor, ladite première entrée étant reliée à la grille dudit transistor. La réalisation sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées données comme des exemples non limitatifs parmi lesquels: - la figure I est un schéma d'un premier exemple du dispositif selon l'invention; - la figure 2 est un schéma de détail de réalisation du dispositif illustré sur la figure 1; - la figure 3 est un schéma d'un détail de réalisation du dispositif illustré par la figure 1; - la figure 4 est un schéma d'une seconde variante de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 5 est un schéma d'un détail de réalisation du dispositif illustré sur la figure 4; - la figure 6 est un schéma d'un dispositif selon l'invention mettant en oeuvre le dispositif des figures 1 à 4; - la figure 7 est un schéma d'un détail de réalisation du dispositif illustré par la figure 6; - les figures 8 à 16 sont les courbes illustrant la performance obtenue par le dispositif selon l'invention. Sur les figures I à 16 on a utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes éléments. Sur la figure 1, on peut voir un exemple de réalisation d'un commutateur 101 permettant d'annuler la différence de potentiel entre deux points B et C. Ce montage présente les particularités suivantes: 258715!7 - il est normalement bloqué avec possibilité de déblocage pendant des temps courts par exemple sur 10 ns et un facteur cylindrique faible; - il supporte une tension très faible au repos (état bloqué) mais peut supporter brusquement une tension élevée sans être rendu conducteur; lorsqu'il est rendu conducteur par une impulsion de commande, il reprend naturellement son état bloqué sans impulsion de commande supplémentaire. Le commutateur 101 est alimenté en impulsions de commande 1 par un dispositif de mémorisation 4 à travers un transformateur d'isolation 3. Avantageusement pour conserver la forme des impulsions 1 on utilise un transformateur 3 réalisé en structure de lignes de trans- mission. Par exemple, on utilise pour le bobinage du transformateur 3 un câble coaxial. Le circuit de mémorisation 4 est relié par les lignes 6 et 7 au premier étage du commutateur 101. Dans l'exemple illustré, le commutateur comporte cinq étages. La ligne 7 est reliée à la grille d'un transistor MOS QI, à l'entrée d'une diode 8 et d'un condensateur 10. La ligne 6, est reliée à l'entrée d'une résistance 9, à la source du transistor QI ainsi qu'au point C porté au potentiel négatif V-. Le commutateur 101 a pour but sur un signal de commande I de pouvoir porter le point B au potentiel V-. Le condensateur 10, est relié à une résistance 11. Les sorties de la diode 8, des résistances 9 et 11 sont réunies et reliées aux entrées des mêmes éléments de l'étage suivant d'une part, et à la grille du transistor Q2 appartenant au second étage d'autre part. Le drain du transistor QI est relié à la source du transistor Q2. Les connexions décrites ci-dessus se répètent jusqu'au dernier étage 5, cinquième dans le cas présent. Le cinquième étage ne comporte pas de diode 8. La sortie des résistances 9 et 11 ainsi que le drain du transistor Q5 sont reliés au point B. En fonctionnement normal, le dispositif illustré sur la figure I comporte des ponts équilibrés des condensateurs et des résistances répartissant les tensions aux bornes des transistors QI à Q5 bloqués. Si un des transistors QI à Q5 fuit il va s'établir une différence de potentiel entre la grille et la source du transistor de l'étage suivant renforçant son blocage. Sur la figure 2, on peut voir un exemple de réalisation d'un étage 5 optimisé du commutateur 101 de la figure 1. Une entrée 51 de l'étage 5 est reliée à une diode rapide 8, un condensateur 10 et deux résistances 9 mises en série. Le condensateur 10 est relié à la 0 résistance 11. Les sorties des résistances 9, de la résistance 11 et de la diode 8 sont reliées à l'entrée d'une diode 12 d'une part, à la sortie 52 de l'étage 5 d'autre part. La sortie de la diode 12 est reliée à la connexion du condensateur 10 à la résistance 11. Une entrée 53 de l'étage 5 est reliée à une résistance 18, à une résistance 17, à deux transils à faible capacité 13 placées en parallèle et polarisées chacune dans un sens différent ainsi qu'à la source du transistor Q. La résistance 17 est reliée à un condensateur 16. Les sorties de la résistance 18, du condensateur 16, des deux transils 13 sont reliées à une résistance 15 d'une part et d'autre part à la grille du transistor MOS Q. La résistance 15 est reliée à l'entrée 51 de l'étage 5. Le drain du transistor Q est relié à la sortie 54 de l'étage 5. Dans un exemple de réalisation, la Demanderesse a utilisé les valeurs suivantes pour les composants d'un étage 5: - diodes 8 et 12 diodes rapides; - condensateur 10: 470 pF; résistance 9: 2 x 150 kn, 0,5 W; - résistance 15: 22 n; - résistance 18: 10 k 2; - condensateur 16: 1 nF; - résistance 17: 4,7n les transils sont à faible capacité; - transistor Q: transistor MOS IRF 420. La résistance 11 a pour but de répartir les charges injectées dans la grille des transistors Q des divers étages 5 au moment de la 258'7 157 mise en conduction de l'ensemble. Sa valeur est variable avec les étages. Pour les valeurs des composants décrits ci-dessus un exemple de réalisation à six étages comporte une résistance Il de l pour le second étage, de 33 f pour le troisième étage de 68 fl pour le quatrième étage, de 150 pour le cinquième étage. Dans un exemple de réalisation le premier étage ne comporte pas de résistance 11. Sur la figure 3, on peut voir un exemple de réalisation du circuit de mémorisation 4 du signal électrique. L'entrée du circuit 4 est reliée au secondaire du transformateur 3. L'entrée du circuit 4 est reliée en parallèle à deux circuits à seuil comportant chacun une diode 19 mise tête-bêche avec une diode Zenner 21. Les deux circuits à seuil ont des polarités inverses. Les diodes Zenner étant incapables de passer des impulsions on met en parallèle avec chaque diode Zenner 21 une capacité 22. La sortie des circuits à seuil est reliée d'une part à la ligne 7, d'autre part à travers un condensateur 23 à la ligne 6 et à la masse. Lorsque sur l'entrée du circuit 4 on envoie une impulsion dont la tension est supérieure à la tension de la diode Zenner 21 un courant charge le condensateur 23. Le condensateur 23 a tendance à se décharger naturellement dans le transformateur 3. La décharge du condensateur 23 s'arrête au moment o la tension aux bornes dudit condensateur atteint la valeur de la tension Zenner des diodes 21. Dans l'exemple illustré, le circuit 4 comporte des circuits de seuil pour pouvoir mémoriser les tensions appartenant aussi bien aux impulsions positives que négatives. Sur la figure 4, on peut voir un second exemple de réalisation du circuit de commutation selon l'invention. Ce montage présente les particularités suivantes: - il est normalement bloqué au repos et supporte toute la tension à commuter; - lorsqu'il est rendu conducteur par une impulsion de commande, il garde la mémoire de son état conducteur (a condition de ne pas dépasser son temps de conduction maximum); - on peut le rebloquer par une impulsion de commande. Il reprend alors son état d'origine. L'exemple illustré sur la figure 4 comporte cinq étages. L'entrée du commutateur 100 est reliée à deux lignes 6 et 7. La ligne 7 est connectée à l'entrée d'une diode 8 et d'un condensateur , ainsi qu' à la grille du transistor QI. La ligne 6 est reliée à l'entrée d'une résistance 9 et à la source du transistor QI. Les sorties de la résistance 9 du condensateur 10 et de la diode 8 sont reliées entre elles et reliées aux entrées de la diode 8, résistance 9 et condensateur 10 des étages 5 suivants. Le drain du transistor QI est relié à la source du transistor Q2. Les sorties de la diode 8 de la résistance 9 et du condensateur 10 du premier étage sont reliées à la grille du transistor Q2. Avantageusement, entre la source et le drain de chaque transistor QI à Q5 est placée une diode 41. La sortie du cinquième étage du dispositif selon l'invention est reliée au point A porté à un potentiel positif V+. La ligne d'entrée 6 du commutateur 100 est reliée au point que l'on veut porter au potentiel V+. La valeur des condensateurs 10 suit une progression arithmé- tique en partant des étages d'ordre le plus élevé vers les étages d'ordre le moins élevé. La raison de la suite est égale à la charge parasite grille-source des transistors Q utilisés. En effet, le conden- sateur 10 appartenant au premier étage du commutateur 100 devra pouvoir charger le condensateur parasite grille-source de quatre transistors: Q2, Q3, Q4 et QS. Par contre, par exemple le conden- sateur 10 du troisième étage 5 du commutateur 100 n'aura qu'à charger le condensateur parasite des transistors Q4 et QS. La capacité du condensateur 10 du dernier étage est par exemple égale à 470 pF. Sur la figure 5, on peut voir un étage du commutateur 100. Une première entrée 51 est reliée à l'entrée de la diode 8 du condensateur 10, des résistances 9 et de la résistance 15. Les sorties de la diode 8, du condensateur 10 et des résistances 9 sont reliées à la sortie 52 de l'étage 5. L'entrée 53 de l'étage 5 est reliée à l'entrée de la résistance 18, de la résistance 17, de la diode 41, de deux transils 13 et de la source du transistor Q. La sortie de la résistance 17 est reliée au condensateur 16. Les sorties de la résistance 18, du condensateur 16, de deux transils 13 sont reliées d'une part à la résistance 15 et d'autre part à la grille du transistor Q. La sortie de la diode 41 est reliée au drain du transistor Q. Le drain du transistor Q est relié à la sortie 54 de l'étage 5. Les sorties 52 et 54 d'un étage 5 sont reliées respectivement aux entrées 51 et 53 de l'étage S suivant. Sur la figure 6, on peut voir un dispositif de commutation de tension permettant la commande d'un tube électronique 30. Le tube 30 est un tube commandable par une grille 91. Le flux d'élec- trons émise par la cathode 92 est fonction de la tension appliquée à la grille 91. Les quantités d'énergie nécessaire pour porter la grille 91 à une tension élevée sont faibles. Le dispositif de la figure 6 comporte un générateur de tension négative 32 relié en parallèle à une résistance de polarisation 2, et à un commutateur 101 illustré par la figure 1. D'autre part, le dispositif de la figure 6 comporte un générateur de tension positive 31 relié à un commutateur 100 de la figure 4. Les sorties des commutateurs 100 et 101 sont reliées à un point B. Le point B est relié à travers une résistance 34 et une ligne 43 à la grille 91. Les impulsions de commande I sont transmises aux commutateurs 100 et 101 à travers une ligne 33 et au travers d'un transformateur 3 non représenté. Avantageusement, les commutateurs 100 et 101 sont reliés à un transformateur unique comportant deux circuits secon- daires. Avantageusement, un circuit 4 de mémorisation unique est relié aux deux commutateurs 100 et 101. Avantageusement, le dispositif comporte les moyens de protection 35 reliant la ligne 43 de commande de la ligne 91 à la masse en cas d'établissement d' arcs 258 7 157 électriques à l'intérieur du tube 30. Dans un premier exemple de réalisation, les moyens de protection 35 comportent un éclateur. Ce dispositif de protection a l'inconvénient de se comporter comme un courtcircuit tant qu'il n'a pas été désamorcé. Avantageusement, on utilise comme moyen de protection 35 limiteur. Un tel dispositif est illustré sur la figure 7. Au repos les commutateurs 100 et 101 sont ouverts, la grille est portée à la tension V- par l'intermédiaire de la résistance de polarisation 2, la tension (V+) - (V-) est supportée par le commu- tateur 100. La tension de commande du commutateur 100 est égale à zéro. Tous les transistors sont bloqués et se répartissent la tension V+ - V- en fonction des rapports potentiométriques du pont de résis- tance 11. La tension de commande du commutateur 101 est égale à zéro, tous les transistors Q sont bloqués mais la tension à leur bord est maintenue à zéro grâce à la résistance de polarisation 2. La différence de potentiel entre le point B et le point C du circuit est quasiment nulle. A l'établissement de la commande du faisceau, le point B est porté au potentiel V+. Le commutateur 100 est fermé tandis que le commutateur 101 est ouvert. La grille est portée au potentiel V+ à travers la résistance de protection R1 de faible valeur. La tension (V+) - (V-) est supportée par le commutateur 101. A ce moment là la tension de commande du commutateur 101 est égale à -10 V. Le transistor QI est maintenu bloqué par la tension de commande. Le point B passe à la tension V+. La série de réseaux RC se comporte comme un pont diviseur équilibré et assure l'étagement de tension grille des transistors MOS. Les transistors agissent en fonction de leur tension grille-source, de manière à se répartir la différence des tensions entre les points B et C. La tension de commande du - commutateur -0 est -égale -à + 10 V. Le transistor QI devient conducteur et provoque la décharge du condensateur 10 du premier -étage-en direction de la grille du transitor Q2 qui entre à son tour en conduction. Le phénomène de mise en conduction se propage ainsi jusqu'au transistor Q5. Les diodes 41 permettent de renforcer localement une commande de grilles insuffisantes. En commande blocage de faisceaux, le commutateur 100 est ouvert tandis que le commutateur 101 est fermé. La grille 91 est portée à un potentiel Vpar l'intermédiaire de la résistance de protection RI. Au bout de quelques microsecondes, le commutateur 101 repasse automatiquement en position ouverte de façon à remmener le commutateur des grilles 91 à l'état de repos initial. La tension de commande du commutateur est égale à + 10 V, le transistor QI devient conducteur et provoque la décharge de son condensateur 10 dans la grille du transistor Q2. Le transistor Q2 devient à son tour conducteur et provoque la mise en conduction de Q3, le phénomène se propage jusquà ce que les transistors soient devenus conducteurs. La tension de commande du commutateur 100 est égale à - 10 V. Le point B est porté à la tension V-. Le transistor Ql se bloque sous l'effet de la tension de commande et provoque le reblocage de toute la chaîne des transistors Q2 à Q5. La tension au maximal commutée à un dispositif selon l'in- vention, est égale au produit du nombre de transistors par la tension maximale supportée par un transistor. Le nombre de transistors est limité par le retard accumulé d'un transistor au transistor suivant lors des phases de changement d'état. A partir de sept transistors IRF 420 le retard cummulé provoque des surtensions dégradant fortement les performances de l'ensemble. Pour le fonctionnement haute fréquence on peut utiliser un dispositif de commutation utilisant deux commutateurs 100 illustrés par la figure 4. Par contre on n'arrive pas à commander un radar fonctionnant en continu (fréquence de répétition 0 Hz). Un premier exemple de réalisation du dispositif selon l'in- vention comportant des commutateurs 100 et 101 comportant chacun cinq transistors, l'amplitude en tension de commande des grilles était réglable entre 0 et 2400 V, la largeur d'impulsion était variable entre 0, 8 ps et 40 pls, la fréquence de récurrence pouvant varier entre 0 et 50 kHz. Le temps de montée sur une charge de pF était égal à 100 ns. Pour un dispositif comportant des commutateurs 100 et 101 comprenant chacun six transistors la tension maximale obtenue en continu était égale à 2800 V. Les figures 8 à 16 illustrent les performances du dispositif selon l'invention. Elles sont la copie d'écran d'oscilloscope visua- lisant la réponse d'une tension en fonction du temps. Sur la figure 8, on peut voir une courbe 85 illustrant une fonction v = f(t), l'évolution de la tension avec le temps. La courbe de la figure 8 correspond à des commutateurs 100 et 101 comportant chacun six transistors commutant des tensions de + 1000 V à - 800 V I0 sur une grille de capacité 250 pF. L'échelle de la figure 8 correspond à 500 V par division verticale et 1 Us par division horizontale. Sur la figure 9, on peut voir une courbe 85 illustrant le temps de montée d'un commutateur à six transistors chargeant une grille de capacité 250 pF. Sur la figure 9, une division horizontale cor- respond à 50 ns. Sur la figure 10, est illustré par une courbe 85 le temps de descente du dispositif selon l'invention utilisé pour l'établissement des figures 8 et 9. Les figures 11 à 16 illustrent la stabilité en température du dispositif selon l'invention. Pour ces figures on a utilisé des commu- tateurs 100 et/ou 101 à cinq transistors commutant une différence de tension de 2000 V sur une grille de capacité 150 pF. Une division horizontale correspond à 20 ns. La courbe 85 des figures Il et 14 respectivement illustrent le temps de montée et le temps de descente à la température de 233 K. La courbe 85 des figures 12 et 15 illustre respectivement le temps de montée et le temps de descente à la température de 300 K. 1il La courbe 85 des figures 13 et 16 illustre le temps de montée et de descente à la température de 353 K. L'invention s'applique principalement à la commutation de tubes électroniques commandables par grille notamment pour appli- cation radars et télécommunications. 2587 157 REVENDICATIONS 1. Elément (5) modulaire de commutation de tension, caracté- risé par le fait qu'il comporte une première entrée (51) et une première sortie (52) connectées en parallèle à travers une diode (8) polarisée en directe, une résistance (9), un condensateur (10) et une résistance (11) mise en série, et une seconde entrée (53) reliée à la source d'un transistor (Q) à effet de champ à grille isolée (MOS) de puissance (Q), une seconde sortie (54) reliée au drain dudit transistor (Q), ladite première entrée (51) étant reliée à la grille dudit transistor (Q). 2. Elément (5) modulaire de commutation de tension, caracté- risé par le fait qu'il comporte une première entrée (51) et une première sortie (52) connectées en parallèle à travers une diode (8) polarisée en directe, une résistance (9), un condensateur (10), une seconde entrée (53) reliée à la source d'un transistor (Q) à effet de champs à grille isolée (MOS) de puissance (Q), une seconde sortie (54) reliée au drain dudit transistor (Q), ladite première entrée (51) étant reliée à la grille dudit transistor (Q). 3. Elément (5) de commutation de tension selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une diode (12) connecté entre la connexion du condensateur (10) et de la résistance (11) mise en série et la première sortie (52), ladite diode (12) est polarisée en inverse. 4. Elément (5) de commutation de tension selon la revendi- cation 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'il comporte une résistance 23 de faible valeur (15) placée entre la grille du transistor (Q) et la première entrée (51). 5. Elément (5) de commutation de tension selon la revendi- cation 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait qu'il comporte placés en parallèle entre la grille et la source du transistor (Q) deux transils (13) de polarisations opposées, une résistance 18, une résistance (17) placée en série avec un condensateur (16). 6. Elément (5) de commutation de tension, selon la revendi- cation 2, 3, 4 ou 5, caractérisé par le fait que la source et le drain du transistor (Q) sont reliés par une diode (41) polarisée en directe. 7. Dispositif de commutation de tension, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins deux éléments (5) de commutation selon l'une quelconque des revendications I à 5, les premières (52) et les secondes (54) sorties d'un élément (5) de commutation étant connectées respectivement aux premières (51) et secondes (53) entrées de l'élément (5) de commutation suivant. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la capacité des condensateurs (10) suit une progression arithmé- tique de raison égale à la valeur des capacités parasites grille- source des transistors (Q). 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la valeur des résistances (11) mise en série avec un condensateur (10) entre les premières entrées (51) et les premières sorties (52) diminue pour chaque élément (5) de commutation connecté en série, de façon à compenser la consommation d'électricité des transistors (Q). 10. Dispositif selon la revendication 6, 8 ou 9, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (4) de mémorisation de tension électrique comprenant un condensateur (23) susceptible d'être chargé à travers une diode (19) mise tête-bêche avec une diode Zenner (21). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'un condensateur (22) est connecté aux bornes de la diode Zenner (21) permettant de transmettre les impulsions. 12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé par le fait que les moyens (4) de mémorisation de tension électrique comportent deux ensembles de polarisation opposées de diode (19, ), une diode Zenner (21) permettant de mémoriser les tensions négatives et les tensions positives. 13. Dispositif de commande de tube électronique (30) per- mettant d'appliquer une tension électrique sur la grille (91) dudit tube électronique (30), caractérisé par le fait qu'il comporte, un générateur (31) de tension positive, un générateur (32) de tension négative, reliés chacun par dispositif de commutation (100, 101) selon l'une quelconque des revendications 7 à 12 à un point B relié à ladite grille (91). 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par le fait qu'il comporte une résistance (2) de polarisation connectée en -_ - - paral'èle i un dispositif (101) de commutation relié au générateur (32) de tensions négatives et que le point B est relié à la grille (91) à travers une résistance (34) de protection. 15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de protection (35) du dispositif et du tube électronique (30) en cas d'établissement d'arc électrique à l'intérieur du tube électronique (30). 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé par le fait que le moyen de protection (35) est un limiteur de tension.