Brevet FR2630276A1 — publié le 19891020

- 1 - La présente invention est relative à un circuit de commande d'une charge inductive et, plus particulière- ment, à un tel circuit protégé contre les surtensions négatives qui apparaissent aux bornes de la charge, à la coupure de l'alimentation de cette charge. En électronique automobile, des fonctions telles que l'allumage, la commande du temps d'injection, la modu- lation de la pression dans les circuits de freinage font appel à des charges inductives dont l'alimentation doit être commandée par des transistors de puissance. Comme exemples de telles charges inductives, on peut citer le bobinage d'un injecteur ou celui d'une électrovanne modu- latrice d'une pression d'un liquide de freinage dans un dispositif d'antiblocage des roues d'un véhicule automobi- le. On peut citer encore la bobine d'un circuit primaire d'allumage inductif. Le transistor me puissance utilisé pour commander l'alimentation d'une telle charge est couramment réalisé en technologie MOS, le circuit drain-source de ce transis- tor étant placé en série avec la charge, entre celle-ci et la borne positive de la source d'alimentation, une batte- rie de véhicule automobile en l'occurence. On sait que lorsqu'on coupe brusquement l'alimen- tation d'une charge inductive, il appara t aussitôt aux bornes de celleci, une forte surtension négative. Dans le cas de la commande de l'alimentation d'une telle charge, il convient de prévoir des moyens pour empêcher que cette forte surtension négative ne perturbe alors le fonctionne- ment du circuit, par remise en conduction du transistor bloqué par exemple. Une solution connue de ce problème consiste, dans le cas de la commande d'une charge inductive par un tran- sistor de puissance MOS canal N placé du côté "alimenta- tion" de la charge, à connecter le circuit drain-source d'un transistor MOS d'interconnexion entre la grille et la - 2 - source du transistor de puissance, de manière que la mise en conduction du transistor d'interconnexion établisse une tension grille-source pour le transistor de puissance propre & maintenir son blocage. Cependant, cette mesure n'est efficace que si la grille du transistor de puissance est par ailleurs isolée du reste du circuit de commande. On peut penser à utiliser à cet effet une résistance isolée en polysili-- cium. Malheureusement, on ne sait pas réaliser de telles résistances présentant une valeur précise et il en résulte que la tension négative que peut supporter le circuit est alors aussi imprécise ou de mauvaise reproductibilité. La présente invention a donc pour but de réaliser un circuit de commande de charge inductive à transistor de puissance du type MOS canal N placé en série avec la charge du côte positif d'une source d'alimentation élec- trique, comprenant un transistor d'interconnexion entre sa grille et sa source, ce circuit comprenant des moyens assurant de manière précise et reproductible l'isolation de la grille du transistor de puissance lorsque des ten- sions négatives lui sont appliquées par l'intermédiaire du transistor d'interconnexion, lors d'une décharge de la charge inductive. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'au- tres qui appara tront dans la suite, avec un circuit de commande d'une charge inductive, comprenant un transistor de puissance MOS canal N dont le drain est connecté à la borne positive d'une source d'alimentation électrique continue fournissant une tension +Vbat tandis que la charge inductive est connectée entre la source de ce transistor et la masse, le circuit drain-source d'un transistor MOS canal N d'interconnexion étant connecté entre la grille et la source du transistor de puissance, le seuil de con- duction du transistor étant inférieur à celui du transitor de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend un transis- tor d'isolation MOS canal P dont le drain et la grille sont connectés respectivement & la grille du transistor de puissance et à la masse du circuit, la source du transis- --3 tor d'i'solation étant sélectivement portée -& une tension inférieure ou supérieure & +Vbat, pour bloquer ou débloquer la conduction du transistor de puissance, respectivement. Le circuit comprend un multiplicateur de tension alimenté par la source d'alimentation continue pour fournir une tension de sortie Vs appliquée à la source du transis- tor d'isolation, le multiplicateur de tension étant com- mandé pour fournir sélectivement une tension Vs inférieure ou supérieure & la tension +Vbat de la source d'alimenta- tion, de manière à commander le blocage ou le déblocage du transistor de puissance, respectivement. Le circuit comprend aussi un troisième transistor MOS canal N dont le drain est relié à la source du tran- sistor MOS canal P et la source est connecté à la masse du circuit, la grille de ce transistor étant connectée à une source d'un signal de commande de blocage/déblocage du transistor MOS de puissance. La source de signal de commande est connectée à une entrée de commande du multiplicateur de tension, de manière que le signal de commande provoque sélective- ment, soit la production par le multiplicateur d'une ten-- sion Vs supérieure à la tension +Vbat et le blocage du troisième transistor MOS canal N. soit la production par le multiplicateur d'une tension Vs inférieure à la tension +Vbat et le déblocage du troisième transistor MOS canal N. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, le transistor MOS de puissance est intégré sur la même puce que le reste du circuit de commande qui prend la forme d'un circuit de puissance l'intelligent". Au dessin annexé, donné seulement à titre d'exem- ple: - la figure 1 est un schéma du circuit de commande d'une charge inductive, suivant l'invention, et - la figure 2 est un graphe de l'allure de l'évo- lution de la tension aux bornes de la charge inductive, lors du blocage du transistor de puissance commandant l'alimentation de cette charge. On se réfère à la figure 1 du dessin o le circuit représenté sert à commander l'alimentation d'une charge inductive 1. Comme on l'a vu plus haut on trouve de telles charges inductives dans les injecteurs de carburant pour moteurs à combustion interne, dans les électrovannes modulatrices de la pression d'un liquide de freinage d'un dispositif d'antiblocage des roues d'un véhicule automobi- le, par exemple. L'excitation de tels actuateurs est dé- clenchée par le passage d'un courant dans un bobinage constituant la charge inductive, un commutateur électroni- que tel qu'un transistor de puissance 2 étant placé en série avec la charge inductive 1 pour commander le passa- ge du courant. Le transistor de puissance 2 utilisé dans le cir- cuit de l'invention est un transistor MOS canal N (du type DMOS par exemple) dont le substrat est connecté classique- ment à la source. Le drain du transistor 2 est relié à la borne positive d'une source d'alimentation électrique. Dans les applications "automobiles" de l'invention, cette source est constituée par la batterie d'un véhicule, qui délivre une tension +Vbat, de 12 volts par exemple. La source du transistor 2 est connectée à la charge 1. Le transistor 2 est ainsi connecté au point "chaud" du cir- cuit, du côté de la borne positive de la batterie suivant une configuration couramment adoptée en électronique auto- mobile. Le circuit suivant l'invention comprend aussi un transistor Nl du type MOS canal N dont le drain et la source sont connectés respectivement & la grille et & la source du transistor 2. La grille du transistor Nl est connectée à la masse du circuit. Le transistor Nl com- mande une interconnexion de la grille et de la source du transistor 2, comme on le verra plus loin. Suivant une caractéristique essentielle du circuit suivant l'invention, le drain d'un transistor P1 du type MOS canal P est connecté & la grille du transistor 2 tandis que la source est connectée au point commun à la sortie d'un multiplicateur de tension 3 et au drain d'un troisiè- - 5 - me transistor N2 du type MOS canal N dont la source est & la masse. Les substrats de tous ces transistors sont con- nectés à la source, de manière classique. Le signal de commande de la commutation du tran- sistor de puissance 2 est un signal logique à deux ni- veaux. Il est appliqué sur une broche d'entrée 4 du cir- cuit, connectée d'une part à l'entrée de commande 5 du multiplicateur de tension et, d'autre part, & la grille du transistor N2. -10 Le multiplicateur de tension 3 est alimente sur une entrée 6 par la batterie pour délivrer à sa sortie 7 une tension Vs de valeur supérieure à +Vbat sous la commande du signal reçu à son entrée 5. La tension Vs sert à commuter le transistor 2 dans son état passant, comme on le verra plus loin, pour assurer ainsi l'alimen- tation de la charge inductive 1. Le circuit est complété par une diode 8 dont l'anode est reliée à une ligne portée à la tension +Vbat et dont la cathode est reliée à celle d'une diode de Zener 9, l'anode de cette diode de Zener étant elle-même connec- tée à la grille du transistor 2. Suivant la présente invention, la tension de cla- quage Vz de la diode de Zener 9 est supérieure à +Vbat. Ainsi, comme on le verra plus loin, la diode 9 permet de limiter la tension négative qui apparait aux bornes de la charge 1, à la coupure du courant dans cette charge. La diode 8 de son côté isole la grille du transistor 2 de la ligne +Vbat quand cette grille est portée à la tension de sortie Vs du multiplicateur 3, tension Vs qui est supérieure à +Vbat comme on l'a indiqué plus haut. On explique maintenant le fonctionnement du circuit suivant l'invention, qui permet de conserver le blocage du transistor MOS de puissance quand une tension négative apparalt aux bornes de la charge inductive commandée par ce transistor. Lorsque le signal de commande appliqué à la broche 4 du circuit est à son niveau "bas", le multiplicateur de tension est actif et délivre une tension Vs supérieure - 6 - à +Vbat. Ce même signal de commande, applique à la grille du transistor N2 du type MOS canal N, bloque ce transistor. La tension grille-source du transistor Pl du type MOS ca- nal P est alors négative ce qui rend ce transistor conduc- teur. La tension Vs est alors appliquée & la grille du transistor de puissance 2 qui conduit. La source du tran- sistor 2 est alors à un potentiel voisin de +Vbat, à la chute de tension drain-source du transistor 2 près. La tension grille-source du transistor 2 est alors de l'ordre de (Vs-Vbat). Pour assurer une commutation franche du tran- sistor 2, le multiplicateur de tension est conçu pour fournir une tension Vs supérieure d'une dizaine de volts à +Vbat. Dans ces conditions la charge inductive est alimen- tëe par le courant fourni par la ligne +Vbat. On remarque- ra sur la figure 1 une capacité 10 représentée en poin- tillé, qui correspond à la capacité grille-drain du tran- sistor 2, cette capacité étant alors chargée à la tension Vs-Vbat. Si, à l'instant to (voir figure 2), le signal de commande appliqué à la broche 4 passe au niveau "haut", le multiplicateur de tension est rendu inactif et sa sor- tie 7 passe à un niveau de tension nul ce qui bloque le transistor 2 tandis que le transistor N2 se débloque. On observe alors tout d'abord une décharge de la capacité 10 à travers la diode intrinsèque du transistor Pl (figu- ree en pointillé sur la figure 1) et le transistor N2. Cette décharge se poursuit jusqu'à l'instant tl (figure 2) o la tension Vsl aux bornes de,la charge inductive 1 devient négative, comme suite au blocage du transistor 2. On remarquera la raideur de la partie de la courbe de la figure 2 qui suit l'instant to, raideur caractéristique de la décharge d'une charge inductive. A partir de l'instant tl, la tension de source du transistor 2 étant négative alors que sa tension de grille est nulle, les conditions d'une remise en conduction du transistor 2 sont réunies. Une telle remise en conduc- tion interromprait prématurément la décharge de la charge inductive. Pour éviter cela, suivant l'invention, on isole -7- la grille du transistor 2 en bloquant le transistor P1 tandis que la remise en conduction du transistor Ni établit une tension grille-source nulle sur le transistor 2 qui empéche sa remise en conduction. Pour ce faire, le tran- sistor Ni est choisi de manière à présenter une tension de seuil inférieure & celle du transistor de puissance 2. En l'absence d'isolation de la grille du transistor 2 par le blocage du transistor Pi, on observerait en effet une impossibilité de maintenir la grille & une tension négati- ve, car il y aurait alors décharge par la diode intrinsè- que (représentée en pointillé) du transistor N2. Le transistor P1 étant bloqué et le transistor Ni conduisant, la capacité 10 achève de se décharger par le circuit drain-source du transistor Ni, après l'instant tl. La tension négative apparue aux bornes de la charge 1 continuant & crottre il y a lieu de limiter cette croissance à une valeur supportable par le cir- cuit. Dans le circuit suivant l'invention cette limitation est obtenue au moyen de la diode de Zener 9 qui présente une tension de claquage Vz supérieure en valeur absolue & +Vbat. Dès que la tension entre la grille du transistor 2 et la ligne à +Vbat dépasse la tension Vz (instant t2, figure 2), la diode 9 devient conductrice. Un courant est al'ors forcé dans la résistance équivalente Rdson du circuit drain-source du transistor Nl. Il s'établit une tension grille-source Vgson sur le transistor 2 (partie C de la courbe de la figure 2) qui rétablit la conduction du transistor de puissance 2. Cette remise en conduction provoque ensuite un abaissement progressif du courant. Quand le courant est nul la tension s'abaisse progressive- ment à cause des courants de Foucault lorsque la charge inductive est associée à un noyau magnétique comme le montre l'allure de la courbe de la figure 2. Si la charge inductive est pure (self "à l'air") la chute de tension est brutale. Le circuit suivant l'invention peut ainsi supporter les fortes tensions négatives qui apparaissent lors d'une décharge rapide de l'énergie accumulée dans la charge inductive qu'il commande. L'isolement obtenu à l'aide du transistor P1 du type MOS canal P est sans faille et n'introduit pas les défauts de reproductibilité remar- qués sur les circuits de la technique antérieure; Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier la protection suivant l'invention d'un circuit de commande de charge inductive pourrait être appliquée à la commande d'actuateurs ou au- tres organes utilisés ailleurs que dans des véhicules au- tomobiles. L'invention s'étend à la commande de toute charge inductive, telle que, par exemple, un enroulement rotorique ou statorique de moteur électrique. -9- REVENDICATIONS 1. Circuit de commande d'une charge inductive, comprenant un transistor de puissance MOS canal N dont le drain est connecté à la borne positive d'une source d'ali- mentation électrique continue fournissant une tension +Vbat tandis que la charge inductive est connectée entre la source de ce transistor et la masse, le circuit drain- source d'un transistor (Nl) MOS canal N d'interconnexion étant connecté entre la grille et la source du transistor de puissance, le seuil de conduction du transistor (Nl) étant inférieur à celui du transistor de puissance, carac- térisé en ce qu'il comprend un transistor d'isolation (Pl) MOS canal P dont le drain et la grille sont connectés res- pectivement & la grille du transistor d'isolation de puissance et à la masse du circuit, la source du transis- tor (Pl) étant sélectivement portée à une tension infé- rieure ou supérieure à +Vbat, pour bloquer ou débloquer la conduction du transistor de puissance, respectivement. 2. Circuit conforme à la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend un multiplicateur de tension alimenté par la source d'alimentation continue pour fournir sélectivement une tension de sortie Vs appliquée à la source du transistor d'isolation (Pl), le multiplicateur de tension étant commandé pour fournir sélectivement une tension Vs inférieure ou supérieure à la tension +Vbat de la source d'alimentation, de manière à commander le bloca- ge ou le déblocage du transistor de puissance, respective- ment. 3. Circuit conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième transistor (N2) MOS canal N dont le drain est relié à la source du transistor d'isolation (Pl) MOS canal P et la source est connectée à la masse du circuit, la grille de ce transis- tor étant connectée à une source d'un signal de commande de blocage/déblocage du transistor MOS de puissance. 4. Circuit conforme à l'ensemble des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de signal - 10 - de commande est connectée à une entrée de commande (5) du multiplicateur de tension, de manière que le signal de commande provoque sélectivement, soit la production par le multiplicateur d'une tension de sorte Vs supérieure & la tension +Vbat et le blocage du troisième transistor (N2) MOS canal N, soit la production par le multiplicateur d'une tension de sortie inférieure à la tension +Vbat et le déblocage du troisième transistor (N2) MOS canal N. 5. Circuit conforme à la revendication 4, caracté- risé en ce que le signal de commande est un signal logique, la sortie du multiplicateur de tension étant à la tension Vs supérieure ou inférieure & +Vbat suivant que le signal logique est "bas" ou "haut". 6. Circuit conforme à l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que la grille du transistor MOS d'interconnexion (N1) est la masse. i. Circuit conforme à l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une diode de Zener (9) connectée en inverse entre la borne positive de la source d'alimentation et la jonction du drain du transistor d'isolation (P1) & la grille du tran- sistor de puissance, cette diode présentant une tension de claquage Vz supérieure à la tension +Vbat pour limiter l'amplitude de l'évolution négative de la tension aux bornes de la charge, au blocage du transistor de puissance. 8. Circuit conforme à la revendication 7, caracté- risé en ce qu'une diode d'isolation (8) est connectée entre la source + Vbat et la diode de Zener, l'anode de -la diode étant reliée à la source +Vbat. 9. Circuit conforme à l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que tous les transistors MOS du circuit ont leur substrat connecté à la source. 10. Circuit conforme à l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le transistor MOS de puissance est intégré sur la même puce que le reste du circuit de commande qui prend la forme d'un circuit de puissance "intelligent".