Brevet FR2614153A1 — publié le 19881021

DISPOSITIF DE COMMANDE D'INTERRUPTEUR A SEMICONDUCTEUR La présente invention concerne un dispositif de commande d'interrupteur à semiconducteur. On entend par interrupteurs à semiconducteurs des composants tels que des transistors du type bipolaire, M.O.S., Darlington ou "bipmos" (association discrète ou intégrée d'un transistor du type MOS-FET et d'un transistor bipolaire) utilisés en régime de commutation et munis, le cas échéant, de leurs circuits d'autosaturation. La fonction essentielle d'un tel dispositif est la mise en forme de signaux de commande ; ces dispositifs ont plus précisément pour rôle de fournir, suivant un rythme de fonctionnement déterminé par les états successifs d'un signal d'ordre de commutation, les courants et tensions de polarisation nécessaires à la commande d'interrupteurs à semiconducteurs suivant ces différents états et leurs transitions. Pour fournir les deux types de courants ou tensions de polarisation, il est connu de disposer soit de deux sources d"alimentation flottantes, I'une en direct, l'autre en inverse, soit d'une source d'alimentation flottante en direct associée à un élément passif de stockage d'énergie (condensateur ou inductance), ce dernier emmagasinant et restituant à tour de rôle de rénergie suivant que l'interrupteur est conducteur ou bloqué. La présente invention se rapporte plus particulièrement aux dispositifs de commande isolés galvaniquement, ne nécessitant aucune source d'alimentation flottante puisqu'ils reçoivent un signal de commande suffisamment énergétique via le transformateur d'isolement galvanique. Le rythme de fonctionnement de l'interrupteur étant défini par un signal d'ordre de commutation présentant alternativement des impulsions d'une première polarité (par exemple négatives) pendant lesquelles l'interrupteur est passant et des impulsions d'une seconde polarité (par exemple positives) pendant lesquelles l'interrupteur est bloqué. Un problème se pose - avec ce type de montage pour des rapports cycliques faibles du signal S, c'est-à-dire pour des impulsions positives de durée relativement faible par rapport à celle des impulsions négatives. En effet, lorsque ces impulsions sont étroits, voire inexistantes, l'énergie stockée dans le transformateur, et devant servir ultérieurement au blocage de l'interrupteur, devient insuffisante. La présente invention a pour objet un dispositif de commande d'interrupteur à semiconducteur assurant, à partir d'une source de tension d'alimentation unique, de façon efficace dans tous les cas d'utilisation, la commande très rapide de blocage et de conduction de cet interrupteur, en en améliorant la résistance aux variations rapides de tension. Le dispositif de commande conforme à l'invention comporte un élément réservoir disposé dans le circuit de commande de l'interrupteur semiconducteur, alimenté par la source unique de tension d'alimentation de l'interrupteur et de sa commande. Si la commande de l'interrupteur est une commande en tension, la charge de l'élément réservoir s'effectue en parallèle avec la commande, alors que s'il s'agit d'une commande de courant, utilisée en particulier pour un interrupteur muni d'un dispositif d'antisaturation, la charge de l'élément réservoir s'effectue en série avec la commande. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un schéma d'un circuit de commande parallèle conforme à l'invention; - la figure 2 est un schéma d'un circuit de commande série conforme à l'invention; - la figure 3 est un schéma d'un circuit d'isolement galvanique et dalimentation d'un circuit de commande selon la figure 1 ou 2, et - la figure 4 est un chronogramme de certains signaux du circuit de la figure 3. On a représenté sur la figure 1 un interrupteur Q à semiconducteur du type BipMOS, mais il est bien entendu que cet interrupteur peut être de tout autre type approprié: MOS, Bipolaire seul, Darlington, Triplington (Darlington à trois étages), etc. L'interrupteur Q est commandé par un circuit de commande I comportant trois bornes d'entrée 2, 3 et 4. La borne 2 est la borne de masse (potentiel OV) commune au- signal d'entrée, à l'alimen- tation et à l'utilisation. La borne 3 est celle reliée au pôle positif +V de la tension d'alimentation, et la borne 4 est la borne d'entrée de signal de commande. Ce signal de commande comporte des impulsions négatives pour la mise en conduction de Q et des impulsions positives pour son blocage, mais il est bien entendu que les rôles de ces impulsions peuvent être inversés moyennant des modifications évidentes pour l'homme de l'art. L'interrupteur Q comporte un transistor bipolaire 5, dont le collecteur et l'émetteur sont respectivement reliés à des bornes de sortie 6, 7 auxquelles on branche des circuits d'utilisation (non représentés). L'interrupteur Q comporte également, de façon connue en soi, un transistor MOSFET 8 à canal N dont la source est reliée à la base du transisor 5, et dont le drain est relié au collecteur de 5. Une diode 9 est branchée en sens bloquant entre les bornes 6 et 7, et une autre diode 10 est branchée entre la source et la grille du transistor 8, sa cathode étant reliée à la grille de ce transistor. Le circuit de commande 1 comporte trois commutateurs Ol à 03, qui sont ici des MOSFET, les deux premiers à canal N, et le dernier à canal P. L'entrée 4 est reliée aux grilles de 02 et 03. La borne 2 est reliée à la source de 02, à la grille de Q1, à l'émetteur de 5, et à la cathode d'une diode D1 dont l'anode est reliée à la source de Q1 et à une électrode d'un condensateur C1. Le drain de Q1 est relié à la grille de 8 et au drain de Q3. Le point commmun aux drains de Ql et Q3, à la grille de 8 et à la cathode de 10 est référencé 11 : c'est l'entrée de commande de Q.L'autre armature du condensateur C1 est reliée d'une part au drain du commutateur Q3 à travers une résistance R2 et une diode D2 côté cathode, et d'autre part au drain du commutateur Q2 soit directement ou bien à travers une inductance L 1 amortie par la résistance R I en parallèle, lorsque l'interrupteur Q le nécessite (par exemple présence d'un bipolaire). Le commutateur Q3, lorsqu'il est rendu passant par des impulsions négatives appliquées en 4, assure d'une part la polarisation en sens direct de l'interrupteur Q, Ql étant bloqué par ces impulsions et empêchant le courant de commande de Q de s'écouler vers la masse, et d'autre part la charge du condensateur réservoir C1 à travers son circuit de chargé (Q3, R2, D2, Dl), condensateur dont les armatures sont polarisées comme indiqué sur le dessin (armature négative côté Dol). Le commutateur Q2 rendu passant par les impulsions positives appliquées en 4, autorise la polarisation inverse de la commande de Q afin de le bloquer grâce au potentiel négatif appliqué par Cl (via Ql qui est alors passant, Dl étant bloquée) à l'entrée de commande Il de Q. Le circuit de charge du condensateur Cl comporte la résistance R2 de limitation de courant de charge, la diode D2, et la diode Dl qui est passante durant les impulsions négatives du signal appliqué en 4. Le circuit de décharge de Cl comprend le circuit parallèle Rl/L s'il est nécessaire et le commutateur Q1 (rendu passant par les impulsions positives en 4) qui applique à l'entrée de commane 11 de Q le potentiel négatif de Cl. Ainsi, grâce à la polarisation inverse de Q produite par Cl lors de la commande de blocage de Q, on améliore sa résistance aux variations rapides de tension, ainsi que la rapidité de sa commutation. On a représenté en figure 2 une variante du circuit de la figure 1, mise en oeuvre lorsque l'interrupteur commandé comporte un circuit d'antisaturation à diodes en série. Les éléments identiques à ceux de la figure 1 ont été affectés des mêmes références. L'interrupteur Q' de la figure 2 comporte les mêmes transistor bipolaire 5 et diode 9 que Q, mais les autres éléments sont différents. L'entrée de commande 11 est reliée à la base de 5 via une résistance 12 en série avec un ensemble 13 de plusieurs diodes en série, par exemple trois diodes. Un condensateur 14 est disposé en parallèle sur la résistance 12. L'anode d'une diode 15 est reliée au point commun de 12, 13, 14, et sa cathode est reliée au collecteur de 5. Les éléments 12, 13, 14 et 15 correspondent à un classique circuit antisaturation de bipolaire. Les éléments Q3, R2, D2, R1, L et Q2 sont inchangés.Une armature de Cl est toujours reliée au point commun de D2, R1, L, tandis que son autre armature est reliée via une diode 16 au point commun de 12, 13, 14 et 15, et via une diode 17 à la base de 5, l'anode de 16 et la cathode de 17 étant reliées au condensateur C1. Dans le circuit de la figure 2, la charge de C1 s'effectue via Q3, R2, D2, les diodes 16 et 13 et le trajet base-émetteur du transistor 5, lorsque, comme pour-le circuit de la figure 1, Q3 est rendu passant pendant des impulsions négatives appliquées en 4. Lorsque des impulsions positives sont appliquées en 4, Q2 devient passant, O3 étant bloqué, et Cl applique une polarisation négative au transistor 5 via la diode 17. Ainsi, dans le circuit de la figure 2, la charge de C1 se fait en série avec la commande de l'interrupteur C' (le circuit d'antisaturation détourne vers le collecteur de 5, le surplus de son courant de base), alors que dans le circuit de la figure 1, le courant de charge de Cl passe par D1 vers la borne 2, et est bloqué par Q1 en direction de Q, le courant de commande de Q passant de l'entrée 11 par le transistor 8 vers la base du transistor 5. La commande de Q se fait donc en parallèle avec la charge de C1. Selon une autre variante (non représentée) du circuit de la figure 1, on remplace le trajet source-drain de Q1 par une diode dont la cathode est orientée vers C1 et l'anode vers le point 11. La diode D1 est remplacée par un empilage de plusieurs diodes en série, en nombre suffisant pour que la somme de leurs seuils de potentiel s'oppose à la dérivation vers la masse, via D1, du courant de commande de conduction de O. Cette variante réduit légèrement l'efficacité, et donc la rapidité de commutation de Q. On a représenté sur la figure 3 un circuit 18 d'alimentation en énergie du circuit de la figure 1 ou 2 durant la mise en conduction de l'interrupteur Q ou Q' tout en assurant l'isolation galvanique entre le générateur de signaux de commande, la source d'énergie et l'interrupteur avec son circuit de commande 1. Le circuit 18 comporte en particulier un transformateur d'isolation 19 à trois enroulements: un enroulement primaire P, un enroulement secondaire Se, et un enroulement tertiaire T. Sur chacun de ces enroulements, on a figuré des points de repère à l'une de leurs extrémités, indiquant ainsi que ces extrémités sont en phase. Une extrémité de l'enroulement P (celle marquée d'un point repère) est reliée au pôle positif | +V d'une source d'alimentation, tandis que son autre extrémité est reliée à la masse (pôle négatif de ladite source d'alimentation) via un commutateur commandé 20 (par exemple un MOSFET).En parallèle sur l'enroulement P, on branche un circuit série d'amortissement comportant un condensateur 21 et une résistance 22, ainsi qu'un circuit d'écrêtage comportant une diode 23 en série avec une diode Zener 24, la cathode de 23 étant reliée à +V, et celle de 24 au commutateur 20. Une résistance 25 est disposée en parallèle sur la diode Zener 24. Ces éléments disposés en parallèle sur l'enroulement P sont destinés à éviter des oscillations parasites dans le transformateur 19. Le commutateur 20 est commandé par un signal S arrivant d'une borne d'entrée de commande 26. Ce signal S est formé d'impulsions ayant toutes la même polarité. Une extrémité de l'enroulement T est reliée au pôle positif +V dune source d'alimentation via une résistance 27, et à la masse via un condensateur 28. L'autre extrémité de l'enroulement T (marquée d'un point-repère) est reliée à la masse via une diode 29 (empêchant la circulation d'un courant induit par P dans T) et un commutateur commandé 30 (par exemple un MOSFET). La borne 26 est reliée via un oscillateur synchronisable 31 à l'entrée de commande du commutateur 30. Le signal de sortie de l'oscillateur 31 est appelé S'. L'oscillateur 31 est synchronisable sur les fronts descendants du signal S et est blocable à l'état "bas" de son signal de sortie S' lorsque le signal S est à l'état "haut" (en conséquence, une impulsion positive du signal S' apparait immédiatement après une impulsion positive du signal S - voir figure 4). L'oscillateur 31 est par exemple un oscillateur blocable classique. Une extrémité (celle marquée d'un point-repère) de l'enrou- lement Se est reliée à une borne 3A, ainsi qu'à la grille d'un MOSFET Q4 à canal N via une résistance R4 en parallèle avec un condensateur C3. La source de Q4 est reliée à une borne 2A et son drain à une borne 4A. Entre les bornes 2A et 4A on branche un condensateur C2. L'autre extrémité de l'enroulement Se est reliée, d'une part, via une résistance R3 et une diode D3 à la borne 4A (la cathode de D3 étant reliée à 4A), d'autre part à la cathode d'une diode D4 dont l'anode est reliée à la borne 2A. En parallèle sur D4, on branche un circuit série comportant une diode D6 et une diode Zener D7, les cathodes de D6 et D7 étant reliées ensemble.La grille de 04 est reliée à la borne 2A par une diode Zener bi-directionnelle D8 (formée de deux diodes Zener assemblées tête-bêche). Les bornes 2A, 3A et 4A sont reliées respectivement aux bornes 2, 3 et 4. Les impulsions positives de S et S' ferment respectivement et non simultanément les commutateurs 20 et 30 dans le cas présent. Du fait des branchements respectifs des enroulements P, Se et T, les impulsions dues à T sont inversées dans Se par rapport à celles dues à P, et ilion obtient donc aux bornes de Se un signal Sc comportant des impulsions positives et négatives. Le signal S', de fréquence égale ou supérieure à celle de S, présente des trains d'impulsions dont la première est synchrone du front descendant de S, afin d'en renforcer l'action sur les circuits branchés en aval de l'enroulement Se. Chaque impulsion de S' produit dans renroulement T (figure 4) un courant impulsionnel It dont chaque impulsion présente un front montant abrupt activant le circuit de mémorisation (constitué par C2) de la commande dans l'état de blocage de O à travers la résistance P3 et la diode D3, et un front descendant progressif (dû à la décharge du condensateur 28 dans T, auparavant chargé via la résistance 27) n'ayant aucun effet sur ce même circuit de mémorisation, afin d'éviter tout redéclenchement intempestif à la conduction de Q.D'autre part, I'énergie transmise par ce courant It au secondaire Se sert à maintenir la charge de C1 à travers D6, D7, Q2, L et R1, puis Ql (ou 16 et 12), Q3. Les fronts montants des impulsions positives du signal Sc provoquent la conduction de Q4, ce qui entraîne la décharge du condensateur de mémorisation C2. La décharge de C2 déclenche simultanément l'ouverture du circuit de polarisation inverse de O par blocage de 02, et le processus de charge de Cl de la façon décrite ci-dessus en référence à la figure I et la conduction de Q par conduction de Q3. Si l'impulsion positive du signal Sc a une durée suffisamment longue par rapport à celle de l'impulsion négative, Cest-à-dire si le signal Sc a un rapport cyclique suffisamment élevé, I'énergie magnétisante stockée dans le transformateur 19 pendant l'impulsion positive du signal Sc peut être suffisante pour assurer, par sa restitution lors du front descendant de l'impulsion positive, I'ouverture du circuit de polarisation en direct, la mise en service du circuit de polarisation en inverse de la commande de l'interrupteur Q et corrélativement le déclenchement du déblocage ou de la conduction du commutateur Q1. Le front descendant de l'impulsion Sc, lié au front descendant de l'impulsion de S renforcé par le front montant de la première impulsions S' déclenchée, provoque le blocage de l'interrupteur Q4 et la charge du circuit de mémorisation représenté par le condensateur C2, à travers la diode D3 et la résistance R3 (la diode D4 s'opposant au passage du courant inverse). Les impulsions S' suivantes entretiennent cet état. D7 limite la tension de charge de C2. La charge de C2 bloque l'interrupteur Q3 et par voie de conséquence le circuit de polarisation en direct, et met en conduction Q2 actionnant le circuit de polarisation en inverse de l'interrupteur Q. De même la quantité de charges stockées dans le condensateur Cl pendant l'impulsion positive du signal Sc peut être suffisante pour assurer par sa disponibilité lors de l'impulsion négative du signal Sc le maintien du blocage de l'interrupteur O tout au long de cette impulsion négative. En revanche, si le signal Sc a un rapport cyclique trop faible, rénergie magnétisante emmagasinée dans le transformateur et la quantité de charges stockées dans le condensateur CI pendant l'impulsion positive du signal Sc sont insuffisantes pour assurer le déclenchement et le maintien du blocage de l'interrupteur Q. C'est alors que le circuit d'alimentation de l'enroulement tertiaire T vient jouer pleinement son rôle en renforçant, grâce à un front avant abrupt de l'impulsion qu'il délivre, L'effet de la restitution de l'énergie magnétisante par le transformateur, et en maintenant, grâce à un front arrière progressif de cette même impulsion, le condensateur C1 chargé pendant toute la durée de l'impulsion négative. Ainsi, le circuit de la figure 3 alimente en énergie le circuit de la figure 1 ou 2 durant la mise en conduction de l'interrupteur o, tout en assurant, grâce au transformateur 19, I'isolement galvanique de cet interrupteur O vis-à-vis de la source d'alimentation (+V) de son circuit de commande et vis-à-vis du générateur de signaux de commande (branché sur la borne 26).' Ce circuit ne nécessite aucune source d'alimentation flottante, car l'énergie et le signal de commande passent par le même transformateur. En outre, ce circuit de la figure 3 mémorise l'arrêt de l'impulsion de commande (démarrage d'une impulsion de S' par déblocage de I'oscillateu; 31),. et comprend un dispositif (oscillateur 31) d'entretien minimum de la mémorisation de l'arrêt de l'impulsion de commande et de la charge du condensateur réservoir (C1) assurant la polarisation inverse de Q durant toute l'absence d'impulsions de commande (la fréquence des impulsions de S' tient compte, bien entendu, des fuites des composants du circuit de commande et de l'interrupteur). REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'interrupteur (Q) à semiconducteur, à élément de stockage d'énergie (cul), caractérisé par le fait qu'il est alimenté par une source unique de tension d'alimen- tation (+V, Ov), et qu'il comporte un premier commutateur (Q3), fermé pendant les impulsions dune première polarité (négatives) d'un signal d'entrée (4) et ouvert en dehors de ces impulsions, dans lequel passe un courant permettant la charge de l'élément de stockage d'énergie et commandant la conduction de l'interrupteur, et un second commutateur (02), 'se fermant à l'arrivée d'une impulsion d'une seconde polarité (positive) dudit signal d'entrée, et appliquant la tension de charge dudit élément de stockage en tant que tension de polarisation inverse de l'interrupteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, avec commande en tension de l'interrupteur (figure 1), caractérisé par le fait que la charge de l'élément de stockage d'énergie se fait en parallèle avec la commande de l'interrupteur. 3. Dispositif selon la revendication 2 dont l'élément de stockage d'énergie est un condensateur, caractérisé par le fait que les deux commutateurs (Q2, Q3) sont branchés en série aux bornes (2, 3) de la source d'alimentation unique, une première diode (D2) étant insérée en série entre eux, le point commun du premier commutateur (Q3) et de la diode étant relié à l'entrée de commande (I I) de l'interrupteur (O), le point commun du second interrupteur (Q2) et de la première diode étant relié à une armature du condensateur (Cl) de stockage d'énergie dont l'autre armature est reliée d'une part via un troisième commutateur (01) à l'entrée de commande (11) de rinterrupteur, et d'autre part via une seconde diode (Dl) à une électrode de sortie (émetteur) de l'interrupteur et au potentiel (Ov) auquel est relié le second commutateur (Q2), ledit troisième commutateur étant ouvert pendant la charge du condensateur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le troisième commutateur (Ql) est un semiconducteur commandé (MOSFET) dont le trajet principal (source-drain) est disposé entre le point commun au condensateur et à la seconde diode (Dl) et l'entrée de commande (I1) de l'interrupteur, et dont rélec- trode de commande (grille) est reliée au point commun de la seconde diode et de ladite électrode de sortie de l'interrupteur. 5. Dispositif selon la revendication 1, avec commande en courant de l'interrupteur (figure 2) qui comporte un circuit d'antisaturation (13) à plusieurs diodes en série, caractérisé par le fait que la charge de l'élément de stockage d'énergie se fait en série avec la commande de l'interrupteur. 6. Dispositif selon la revendication 5, dont l'élément de stockage d'énergie est un condensateur, caractérisé par le fait que les deux commutateurs (Q2, Q3) sont branchés en série aux bornes (2, 3) de la source d'alimentation unique, une première diode (D2) étant insérée en série entre eux, le point commun du premier commutateur (Q3) et de la diode étant relié à l'entrée de commande (I I) de l'interrupteur (Q'), le point commun du second interrupteur (02) et de la première diode étant relié à une armature du condensateur (C1) de stockage d'énergie, dont l'autre armature est reliée via une seconde diode (16) à l'entrée de commande (I1) de l'interrupteur, et via une troisième diode (17) en aval du circuit d'antisaturation (13). 7. Dispositif selon rune quelconque des revendications précédentes, comportant un dispositif (19) d'isolation galvanique assurant l'isolation galvanique de l'interrupteur et de son circuit de commande (1) vis-à-vis de la source d'alimentation (+V) du circuit de commande et du générateur de signaux de commande (26), caractérisé par le fait que le dispositif d'isolation galvanique comporte un transformateur à trois enroulements dont un premier (P) est alimenté par la source d'alimentation via un premier commutateur (20) commandé à la fermeture pendant les impulsions, toutes de même polarité, du générateur de signaux de commande, dont un second enroulement (T) est alimenté par la source d'alimentation via un second commutateur (30) commandé à la fermeture au moins une fois à la fin de chaque impulsion du générateur de signaux de commande et commandé à l'ouverture au moins pendant la durée de chaque impulsion dudit générateur, et dont le troisième enroulement (Se) est relié aux bornes d'alimentation (3, 2) et d'entrée de signal (4) du circuit de commande (1) de l'interrupteur. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit commutateur (30) est commandé par un oscillateur (31) synchronisable sur les fronts descendants du signal dudit générateur et dont la sortie est blocable dans l'état "bas" lorsque ledit signal est à l'état "haut". 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé par le fait que l'on dispose en parallèle sur le premier enroulement (P) du transformateur un circuit amortisseur d'oscillations (21 à 25). 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait que l'on insère en série avec le second enroulement (T) du transformateur une diode (29) empêchant la circulation dans ce second enroulement de courants induits par le premier enroulement. Il. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé par le fait qu'une extrémité du second enroulement (T) est reliée au point milieu d'un circuit série disposé entre deux pôles d'une source d'alimentation et comportant une résistance (27) et un condensateur (28). 12. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé par le fait que l'on branche sur le troisième enroulement (Se) du transformateur, un circuit détecteur de polarisation comportant un second condensateur réservoir (C2) en parallèle avec un commutateur commandé (Q4), ce condensateur étant relié à l'entrée de signal (4) du circuit de commande de l'interrupteur. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé ledit commutateur est commandé à la fermeture par les impulsions de ladite première polarité (positives) commandant la conduction de l'interrupteur.