Brevet FR2611098A1 — publié le 19880819

INTERRUPTEUR DE PUISSANCE A MONTAGE SERIE COMPOSE D'UN THYRISTOR GTO ET D'UN TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP MOS. La présente invention concerne un interrupteur de puissance à montage série composé d'un thyristor GTO (gate turn-off) et d'un transistor à effet de champ MOS, la commutation de l'interrupteur s'effectuant en réponse à un signal de commande applicable à la grille du transistor à effet de champ MOS et à l'aide d'un circuit de commande de gâchette du thyristor GTO. Un tel montage série, que l'on dénommera par la suite montage cascode GTO-MOS, est décrit par exemple dans la demande de brevet DE-3 425 414. Pour les interrupteurs statiques de puissance, ce montage allie avantageusement la rapidité de commutation du transistor à effet de champ MOS et la tenue en haute tension et fort courant du thyristor GTO. Dans ce montage cascode GTO-MOS, de façon connue, un organe écrêteur de tension, tel que par exemple une diode silicium à avalanche contrôlée, est disposé entre la gâchette du thyristor GTO et la source du transistor à effet de champ MOS pour offrir un passage pour le courant négatif de gâchette du thyristor GTO après blocage du transistor à effet de champ MOS. Comme on le sait, des précautions doivent être prises pour protéger un tel montage cascode GTO-MOS connecté à une charge, éventuellement inductive, contre les gradients de tension en sens direct consécutifs aux ouvertures dudit montage. Pour ce faire, on a coutume d'associer en parallèle aux bornes de puissance du montage cascode GTO-MOS, un circuit de protection comprenant un condensateur C placé en série avec un montage parallèle d'une résistance R et d'une diode D (circuit RCD ou "snubber"). Lors de l'ouverture du montage cascode GTO-MOS, le courant de charge est dérivé pour une part dans l'organe écrêteur de tension et pour une autre part dans la branche constituée par le condensateur et la diode t le condensateur se charge donc lors de l'ouverture en limitant la pente de croissance de la tension (dV/dt) aux bornes du montage cascode GTO-MOS.Le condensateur se décharge lors de la fermeture du montage cascode GTO-MOS par l'intermédiaire de la résistance. Lorsqu'un signal sur la grille du transistor à effet de champ MOS initialise son blocage, le circuit de cathode du thyristor GTO s'ouvre et les charges d'espace stockées dans le thyristor GTO (porteurs excédentaires dans la région de base P du semi-conducteur) sont extraites par sa gâchette, ce qui se traduit par un pic de courant négatif de gâchette qui passe par l'organe écrêteur de tension ; le courant d'anode du thyristor GTO tend donc à diminuer et du courant est dérivé dans la branche formée par le condensateur et la diode du circuit de protection RCD, le courant dans la charge restant sensiblement constant pendant que le condensateur se charge. Toutefois, pour des raisons tenant à la fois à la réalisation du composant semi-conducteur thyristor GTO utilisé, à la valeur du courant à commuter, au temps de mise en conduction de la diode du circuit RCD et aux inductances parasites dudit circuit RCD, il existe un certain risque de ne pouvoir évacuer en une seule fois toutes les charges stockées dans le thyristor GTO après blocage du transistor à effet de champ MOS. Ainsi, dans un montage cascode GTO-MOS, en général l'extraction des charges stockées dans le thyristor GTO, telle que décrite précédemment, n'est en fait que partielle, de sorte qu'après le pic précité de courant négatif de gâchette, le thyristor GTO continue à conduire un peu, une partie du courant de charge continuant à passer par le circuit RCD. L'extraction de toutes les charges résiduelles est effectuée subséquemment lorsque la tension aux bornes du circuit RCD atteint la tension d'écrêtage de l'organe écrêteur (à la tension anode-gâchette du thyristor GTO près), ce qui se traduit par un second pic de courant négatif de gâchette du thyristor GTO, assurant alors le blocage du thyristor GTO et donc l'ouverture du montage cascode GTO-MOS. Cette extraction en deux temps des charges stockées dans le thyristor GTO après blocage du transistor à effet de champ MOS, laquelle a été confirmée expérimentalement par la Demanderesse, présente des inconvénients, à savoir notamment un temps de commutation particulièrement long du thyristor GTO et une mauvaise tenue de celui-ci aux dV/dt. L'invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients et de réaliser un interrupteur de puissance à montage cascode GTO-MOS dans lequel l'évacuation des charges stockées dans le thyristor GTO après blocage du transistor à effet de champ MOS est effectuée en une seule fois à l'aide de moyens simples, de manière à assurer une ouverture rapide dudit montage- cascode. Elle a encore pour but d'optimiser la rapidité de l'interrupteur de puissance à montage cascode GTO-MOS tant à l'ouverture qu'à la fermeture. Selon l'invention, un interrupteur de puissance à montage cascode GTO-MOS muni d'un organe écrêteur de tension et d'un circuit de protection RCD connecté en parallèle aux bornes de puissance de l'interrupteur, est caractérisé en ce que l'anode du thyristor GTO est reliée à l'une des bornes de puissance de l'interrupteur par l'intermédiaire d'une inductance d'aide à la commutation à l'ouverture permettant d'activer le courant de gâchette du thyristor GTO après blocage du transistor à effet de champ MOS. I1 est important de noter que cette inductance d'aide à la commutation à l'ouverture est en fait utilisée à contresens des inductances qui sont habituellement prévues dans les dispositifs de commutation pour aider à la commutation non pas à l'ouverture mais à la fermeture. Selon une autre caractéristique de l'invention, un condensateur est disposé en parallèle sur l'organe écrêteur de tension ; ce condensateur assiste avantageusement l'inductance précitée lorsqu'il s'avère nécessaire de sous-dimensionner celle-ci dans le souci d'assurer une mise en conduction rapide du montage cascode GTO-MOS. D'autres caractéristiques et avantages -de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels La figure 1 représente le schéma d'un interrupteur de puissance conforme à l'invention La figure 2 montre en fonction du temps les différen tes formes de courant illustrant le fonctionnement de l'interrupteur de puissance lors du processus d'ouverture ; et La figure 3 montre en fonction du temps la forme du courant de gâchette du thyristor GTO lors du processus d'ouverture, dans le cas où l'interrupteur ne compor terait ni d'inductance, ni de condensateur en parallè le sur l'organe écrêteur de tension. L'interrupteur de puissance 1 illustré sur la figure 1 présente, entre deux bornes de puissance 2 et 3, un montage série dit cascode, composé d'un thyristor GTO 4 et d'un transistor à effet de champ MOS 5, dont les chemins respectifs anode-cathode et drain-source sont en série. L'interrupteur 1 est connecté par sa borne 2 à une charge 6 éventuellement inductive et est alimenté par une tension U sur la figure 1, la source du transistor à effet de champ MOS 5 est directement reliée à la borne de puissance 3 de l'interrupteur, laquelle est portée par exemple à la masse. Comme il apparait à la figure 1, un signal de commande V1 est applicable à la grille du transistor à effet de champ MOS 5. L'interrupteur 1 comporte également un circuit de commande de gâchette du thyristor GTO 4 qui est constitué par exemple par un autre transistor à effet de champ MOS 8 dont la source est connectée à la gâchette du thyristor GTO 4, dont le drain est relié à la borne de puissance 2 de l'interrupteur et dont la grille est polarisée par une tension V2 cette tension est constituée selon les cas, soit par une tension continue, soit par un signal de commande synchrone avec le signal V1. Un organe écrêteur de tension, tel que par exemple une diode silicium à avalanche contrôlée Z, est disposé entre la source du transistor à effet de champ MOS 5 du montage cascode et un point 10 intermédiaire entre la source du transistor à effet de champ MOS 8 et la gâchette du thyristor GTO 4. Un circuit classique de protection RCD est associé en parallèle au montage cascode GTO-MOS en étant connecté aux bornes de puissance 2 et 3 de l'interrupteur afin de protéger le montage cascode contre les gradients de tension à l'ouverture. Suivant l'invention, l'anode du thyristor GTO 4 est reliée à la borne de puissance 2 de l'interrupteur par l'intermédiaire d'une inductance L d'aide à la commutation à l'ouverture, laquelle peut être également, par exemple, du type à noyau de fer saturable, dont on va maintenant expliquer le rôle en référence aux figures 1 et 2. Lorsque le signal de commande V1 initialise le blocage du transistor à effet de champ MOS 5, le circuit de cathode du thyristor GTO 4 s'ouvre et entraîne une élévation du potentiel au point 10, de sorte que le transistor à effet de champ MOS 8 se bloque ; le blocage du transistor à effet de champ MOS 8 peut être confirmé par une mise au potentiel de la masse de sa grille. Après blocage des deux transistors à effet de champ MOS 5 et 8, l'inductance L agencée dans le circuit d'anode du thyristor GTO 4 se comporte comme un générateur de courant qui allonge le passage du courant dans le thyristor GTO, entre anode et gâchette, et donc augmente le temps de drainage des charges stockées dans ledit thyristor GTO (porteurs excédentaires dans la région de base P du semi-conducteur) de manière à accélérer l'évacuation de toutes les charges stockées, ce qui se traduit par un unique pic de courant négatif de gâchette IG, visible à la figure 2, qui passe par la diode à avalanche contrôlée Z (figure 1). Sur la figure 2, on a représenté par des hachures l'aire correspondant aux charges stockées QS dans le thyristor GTO, lesquelles sont toutes évacuées en fin de durée tl du pic de courant négatif de gâchette 1G L'inductance L permet donc d'activer le courant de gâchette du thyristor GTO 4 lorsque le circuit de cathode de celui-ci est ouvert, en évacuant les porteurs excédentaires du thyristor GTO. Dès le début de l'extraction du courant de gâchette du thyristor GTO, le courant d'anode IA du thyristor GTO, figure 2, décroit et la tension d'anode (non figurée) augmente avec une pente liée au circuit RCD. Toutes les charges stockées dans le thyristor GTO 4 ayant été évacuées dès le début de sa phase de blocage grâce à l'inductance L, le montage cascode GTO-MOS s'ouvre donc rapidement. Le courant dans la charge 6 étant quasiment constant pendant le processus d'ouverture décrit ci-dessus, une partie du courant de charge est dérivée dans la branche formée par le condensateur C et la diode D du circuit de protection RCD de la figure 1 ; on a représenté en traits pointillés sur la figure 2, la forme du courant IC passant dans cette branche du circuit RCD, le condensateur C se chargeant lors de l'ouverture, après mise en conduction de la diode D, en limitant la pente de croissance de la tension aux bornes du montage cascode GTO-MOS. La décharge du condensateur C a lieu lors de la prochaine fermeture du montage cascode GTO MOS par l'intermédiaire de la résistance R. Sur la figure 1, en parallèle sur l'inductance L est connectée une diode D', dite diode roue libre, qui minimise la surtension créée par ladite inductance lors de l'ouverture du montage cascode GTO-MOS. Dans le cas d'une charge inductive 6, de façon connue, on peut également prévoir à ses bornes une diode de récupération. Pour mieux mettre en évidence le rôle joué par l'inductance suivant l'invention, on a représenté sur la figure 3, à titre de comparaison, le courant de gâchette 1,G du thyristor GTO lors du processus d'ouverture d'un montage cascode GTO-MOS selon l'art antérieur, c'est-à-dire sans inductance. Sur cette figure 3, l'évacuation de toutes les charges stockées dans le thyristor GTO est effectuée en deux fois, comme on l'a expliqué plus haut, après une durée totale t2 qui est nettement supérieure à la durée tl (figure 2) relevée avec le même montage cascode mais en présence de l'inductance L, la somme des charges stockées QS1 et OS2 correspondant aux deux aires hachurées sur la figure 3 est égale à QS de la figure 2, à la recombinaison naturelle des charges près.Expérimentalement, la Demanderesse a relevé une réduction du tiers du temps de commutation du même montage cascode GTO-MOS lorsque l'inductance L est disposée dans le circuit d'anode du thyristor GTO. Cette inductance L permet donc de dériver d'une manière plus énergique le courant dans la gâchette du thyristor GTO lorsque le circuit de cathode de celui-ci est ouvert. Lorsque le signal de commande V1 initialise la mise en conduction du transistor à effet de champ MOS 5, le potentiel au point 10 diminue et la tension V2 augmente ; le transistor à effet de champ MOS 8 conduit et injecte un courant dans la gâchette du thyristor GTO 4, lequel est mis en conduction, de sorte que le montage cascode GTO-MOS se ferme. Comme on le sait, les applications à haute fréquence d'un tel montage cascode GTO-MOS nécessitent une vitesse de commutation élevée. Or, dans le cas où la valeur retenue pour l'inductance L s'avère être forte, celle-ci a pour effet d'affaiblir la pente de croissance du courant (dI/dt) traversant le montage cascode lors de sa mise en conduction, ce qui se traduit par une fermeture insuffisamment rapide. Afin de lever cet obstacle et de rechercher une rapidité du montage cascode GTO-MOS tant à l'ouverture qu'à la fermeture, suivant une caractéristique de l'invention, l'inductan ce L est sous-dimensionnée et est assistée par un condensateur C' connecté en parallèle sur la diode à avalanche contrôlée Z. Le sous-dimensionnement de l'inductance L est déterminé de manière à assurer une mise en conduction rapide du montage cascode GTO-MOS et le condensateur C' a pour rôle d'aider l'inductance L sous-dimensionnée à l'évacuation immédiate de toutes les charges stockées dans le thyristor GTO 4 après blocage du transistor à effet de champ MOS 5. En effet, une inductance L sous-dimensionnée, sans condensateur C', serait insuffisante pour extraire en une seule fois toutes les charges stockées dans le thyristor GTO lors du processus d'ouverture du montage cascode. Avec l'assistance du condensateur C', après blocage des deux transistors à effet de champ MOS 5 et 8, le courant de gâchette extrait du thyristor GTO 4 passe par la diode à avalanche contrôlée Z qui conduit et par le condensateur C' qui commence à se charger. La tension aux bornes du circuit RCD n'étant pas suffisante pour maintenir en conduction la diode à avalanche contrôlée Z, le condensateur C' continue néanmoins à se charger jusqu'à l'extraction finale des charges stockées dans le thyristor GTO 4. Ainsi, à titre illustratif, le condensateur C' permet en quelque sorte de resserrer" les deux pics de courant de gâchette représentés à la figure 3 et relevés sans inductance, tout en assurant une évacuation immédiate de toutes les charges stockées dans le thyristor GTO lorsque le circuit de cathode de celui-ci est ouvert ; il en résulte donc, comme précédemment, une rapidité d'ouverture du montage cascode GTO-MOS. Revendications 1. Interrupteur de puissance comportant - un montage série dit cascode, composé d'un thyristor GTO (4) et d'un premier transistor à effet de champ MOS (5), dont les chemins respectifs anode-cathode et drain-source sont mis en série, l'anode du thyristor GTO (4) et la source du premier transistor à effet de champ MOS (5) étant reliées respectivement à une première (2) et une seconde (3) bornes de puissance de l'interrupteur, la commutation de l'interrupteur s'effectuant en réponse à un signal de commande (V1) applicable à la grille du premier transistor à effet de champ MOS et à l'aide d'un circuit de commande de gâchette du thyristor GTO - un organe écrêteur de tension (Z) disposé entre la gâchet te du thyristor GTO (4) et la seconde borne de puissance (3) de l'interrupteur - un circuit de protection contre les gradients de tension disposé en parallèle sur le montage cascode en étant connecté aux première (2) et seconde (3) bornes de puis sance de l'interrupteur, ce circuit comprenant un conden sateur (C) placé en série avec un montage parallèle d'une résistance (R) et d'une diode (D) caractérisé en ce que l'anode du thyristor GTO (4) est reliée à la première borne de puissance (2) de l'interrupteur par l'intermédiaire d'une inductance (L) d'aide à la commutation à l'ouverture permettant d'activer le courant de gâchette du thyristor GTO après blocage du premier transistor à effet de champ MOS (5). 2. Interrupteur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un condensateur (C') est disposé en parallèle sur l'organe écrêteur de tension (Z). 3. Interrupteur de puissance selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de commande de gâchette du thyristor GTO comprend un second transistor à effet de champ MOS (8) dont la source est connectée à la gâchette du thyristor GTO (4) et dont le drain est relié à la première borne de puissance (2) de l'interrupteur, la conduction du second transistor à effet de champ MOS étant asservie à l'état du premier transistor à effet de champ MOS du montage cascode.