Brevet FR2645689A1 — publié le 19901012

L'invention concerne des circuits de relais à semi-conducteurs, et plus particulièrement des circuits de relais à semi-conducteurs comportant un montage destiné à protéger le relais à semi-conducteurs contre des variations rapides de la tension dans le circuit de charge. On a mis au point des circuits de relais à semi-conducteurs très divers qui utilisent un semi- conducteur de puissance en tant que dispositif de commuta- tion vers le circuit de sortie. Un inconvénient majeur de tels circuits était leur sensibilité à des tensions transitoires apparaissant dans le réseau de charge. Dans certains circuits, ces tensions transitoires peuvent s'élever jusqu'à 100 à 200 volts par microseconde. De telles pointes de tension peuvent être transférées par la capacité entre bornes jusqu'à la grille du dispositif de commutation et peuvent provoquer la mise en condition momentanée du dispositif de commutation à un instant inopportun. Un objet de l'invention est donc de proposer des circuits de relais à semi-conducteurs Derfectionnés. Un autre objet de l'invention est de proposer des circuits de relais à semi-conducteurs comprenant un montage destiné à réduire la réponse du dispositif de commutation de sortie à des tensions transitoires dans le cicuit de charge. Les objets précédents et d'autres objets de l'invention sont réalisés par un circuit de relais à semi- conducteurs qui utilise, comme semi-conducteur de puis- sance, un transistor à effet de champ à métal-oxyde (MOSFET) dont des bornes de drain et de source sont connectées à des bornes de sortie du circuit. Les bornes de sortie sont connectées en série aux bornes d'une charge et d'une source d'énergie. Il est prévu un circuit de commutation qui détecte les tensions transitoires dans la charge et, si ces tensions sont suffisamment élevées, le circuit de commutation court-circuite la borne de grille du transistor MOSFET avant que celui-ci ait le temps de réagir aux variations de tension et de devenir conducteur. Deux formes particulières de montage sont décrites dont l'une assure une protection contre des tensions transitoires dans le circuit de charge d'un agencement utilisant un montage de circuit à transistors et dont l'autre utilise un montage de circuit à transistor MOSFET. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments sur les différentes figures: - la figure 1 est un schéma simplifié d'une première forme de réalisation de l'invention dans laquelle un transistor polarisé par un circuit de synchronisation est utilisé pour court-circuiter la grille sur des bornes de source d'un transistor MOSFET de commutation de -sortie lorsque des tensions transitoires apparaissent dans la charge; et - la figure 2 est un schéma d'une seconde forme de réalisation de l'invention dans laquelle un transistor MOSFET polarisé par un circuit de synchronisa- tion est utilisé pour court-circuiter la grille sur des bornes de source d'un transistor MOSFET de commutation de sortie lorsque des tensions transitoires apparaissent dans la charge. En référence à la figure 1, celle-ci montre un circuit 10 de commande réalisé conformément à l'invention. Le circuit 10 comprend deux bornes d'entrée 12 et 14 et deux bornes de sortie 16 et 18. Un circuit en série, connecté entre. les bornes 12 et 14, comprend des première et seconde diodes électro- luminescentes (DEL) 20 et 22 et un élément de limitation de courant tel qu'une résistance 24. Dans la forme préférée de réalisation de l'invention, les DEL 20 et 22 produisent des signaux lumineux à infrarouge de sortie lorsqu'elles sont excitées. Les DEL 20 et 22 sont placées de façon à être adjacentes et couplées optiquement à une rangée 26 de photodiodes comportant des bornes positive et négative 30 et 32 de sortie, respectivement. La rangée 26 comprend plusieurs photodiodes 28 connectées en série pour former une source de tension photovoltaïque. Il est bien connu de l'homme de l'art qu'une photodiode produit une tension et un courant (environ un demi-volt à environ 10 micro-ampères pour une diode au silicium de faible section) en réponse à de la lumière arrivant sur sa surface. L'intensité du courant disponible à partir d'une photodiode particulière est proportionnelle à l'intensité de la lumière arrivant sur sa surface. En connectant en série plusieurs photodiodes 28, les tensions générées par chacune d'elles s'addition- nent pour produire un niveau de tension souhaité aux bornes de sortie 30 et 32 de la rangée 26. Dans la forme préférée de réalisation, six photodiodes 28 sont connectées en série pour produire une tension de sortie d'environ 8 volts à un niveau de courant d'environ 10 microampères en réponse à la lumière provenant des DEL 20 et 22; cette tension est suffisante pour déclencher le dispositif de commutation de sortie du circuit. Le nombre de DEL utilisées pour éclairer la rangée 26 est une question de choix nominal. La rangée 26 est habituellement fabriquée sous la forme d'un dispositif à circuit intégré, en utilisant des techniques de fabrication telles qu'une isolation diélectrique, qui sont bien connues de l'homme de l'art. La borne positive 30 de la rangée 26 est connectée par une diode 62 à la borne de grille 34 d'un transistor MOSFET 38 à canal N et fonctionnant en mode d'enrichissement. La borne négative 32 de la rangée 26 est connectée à la borne de source 36 du transistor MOSFET 38, et les bornes de drain et source du transistor MQSFET 38 sont elles-mêmes connectées respectivement aux bornes de sortie 16 et 18 du circuit. Les transistors MOSFET de puissance sont caractérisés par leur aptitude à commuter des courants de plusieurs ampères entre leur sortie (bornes de drain et de source) à partir d'une source d'énergie pouvant atteindre plusieurs centaines de volts. Ces dispositfs présentent une faible résistance de sortie lorsqu'ils sont dans l'état conducteur, ou passant (habituellement 1/100 d'ohm jusqu'à ohms) et présentent une résistance élevée de sortie lorsqu'ils sont dans l'état bloqué, ou non passant (habituellement 1 à 100 mégohms). Un dispositif MOSFET habituel à utiliser dans l'invention est le type IRF520, produit par la firme International Rectifier, El Segundo, Californie, ou le type RSP 12N10 fabriqué par RCA. Le transistor MOSFET 38 est polarisé en conduction complète par l'application d'un premier niveau de tension (habituellement 6 à 8 volts) entre les bornes de grille et de source 34 et 36. Le premier niveau de tension est appelé la tension de mise en conduction du transistor MOSFET 38. Lorsque la tension de la grille à la source est inférieure à un second niveau de tension (habituellement 1 à 3 volts), le transistor MOSFET 38 est polarisé dans un état non conducteur. Ce second niveau de tension est appelé la tension de blocage du transistor MOSFET 38. Le fonctionnement du circuit 10 tel que décrit jusqu'à présent est le suivant. Un signal d'entrée est appliqué aux bornes d'entrée 12 et 14, par exemple en connectant une source de tension 42 aux bornes 12 et 14 au moyen d'un interrupteur 44 comme représenté sur la figure 1. En réponse au signal d'entrée, les DEL 20 et 22 produisent de la lumière. Cette lumière est transmise optiquement à la rangée de diodes 26, ce qui amène à produire une tension entre les bornes 34 et 36 de grille et de source du transistor MOSFET 38. Ce dernier est polarisé en conduction complète, établissant un trajet de courant à base impédance entre les bornes de sortie 16 et 18. Lorsque le transistor MOSFET 38 est conducteur, de l'énergie est fournie à une charge 46 a partir d'une source 48 d'énergie. La charge 46 et la source 48 sont montées en série entre les bornes 16 et 18 comme montré sur la figure 1. Lorsque l'interrupteur 44 est ouvert, les DEL 20 et 22 ne produi- sent plus de lumière. Par conséquent, la tension produite par la rangée 26 tombe à zéro et le transistor MOSFET 38 se bloque. La diode 62 est montée entre la borne 30 de la rangée 26 et la borne de grille 34 du transistor MOSFET 38 et est orientée pour permettre le passage du courant vers la borne de grille 34. Un transistor bipolaire PNP 64 est connecté par son émetteur à la grille 34, par son collec- teur à la source 36 du transistor MOSFET 38 et par sa base à la borne 30 de la rangée 26. Une résistance 66 est montée entre les bornes 30 et 32 de la rangée 26. Le transistor PNP 64 n'est normalement pas conducteur durant le fonction- nement du transistor MOSFET 38. Cependant, il est amené par polarisation en conduction entre son émetteur et son collecteur lorsque la rangée 26 cesse de générer une tension. Le transistor 64 agit donc de façon à accélérer le blocage du transistor MOSFET 38 en établissant un trajet de décharge pour la capacité inhérente associée aux éléments grille-source du transistor MOSFET 38. La diode 62 transmet la tension de polarisation provenant de la rangée 26 à la grille 34 du transistor MOSFET 38. Par conséquent, le transistor MOSFET 38 réagit à des fermetures de l'interrupteur 44 en passant dans un état conducteur. Lorsque l'interrupteur 44 est ouvert, le transistor MOSFET 38 passe dans un état non conducteur en un intervalle de temps extrêmement court du fait, en partie, de la conduc- tion du transistor 64. Le meilleur- moyen d'empêcher le transistor MOSFET 38 de sortie de devenir conducteur sous l'effet d'un transitoire rapide de tension dans le circuit de sortie consiste à court-circuiter sa grille 34. A cet effet, le circuit 10 de la figure 1 comprend un condensateur 50 et une résistance 52 montée en série entre les bornes de grille et de source du transistor MOSFET 38. Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, le condensateur 50 présente une valeur d'environ 470 picofarads et la résistance 52 une valeur comprise entre 5 et 10 kohms. La base d'un transistor NPN 54 est connectée entre le condensateur 50 et la résistance 52. Le transistor 54 peut être du type 2N2222 dont l'émetteur est connecté à la borne 18 et dont le collecteur est connecté à la grille du transistor MOSFET 38. Lorsqu'une tension transitoire apparaît dans le circuit de sortie entre les bornes 16 et 18, tension suffisante pour rendre conducteur le transistor MOSFET 38, cette tension transitoire est transmise par la capacité drain-grille du transistor MOSFET 38 au condensateur 50. La tension transitoire est suffisante pour rendre conducteur le transistor 54 qui est choisi pour avoir un temps de mise en condition plus court que celui du transistor MOSFET 38. Par conséquent, le transistor 54 met en court-circuit la grille et la source du transistor MOSFET 38 qui n'entre donc pas en conduction. - Dans l'agencement montré sur la figure 2, un second transistor MOSFET 70 est placé entre la grille 34 du transistor MOSFET 38 et la borne 32. La grille du transis- tor MOSFET 70 est connectée entre une résistance 72 et un condensateur 74 montés en série entre les bornes 16 et 18 de la charge. La constante de temps RC de la résistance 72 et du condensateur 74 est choisie de façon à être d'environ 0,3 microseconde. Dans des conditions normales de charge, le transistor MOSFET 70 ne conduit pas et, par conséquent, n'affecte pas le circuit. Cependant, lorsqu'un transitoire de tension rapide apparait dans le circuit de sortie, le condensateur 74 rend conductrice la grille du transistor MOSFET 70, mettant ainsi en court-circuit la grille du transistor MOSFET 38 avec la source pendant une période suffisante pour empêcher ce transistor MOSFET 38 d'entrer en conduction. Une diode de Zener 76 est montée entre la source et la grille du transistor MOSFET 70 sur la figure 2 afin de limiter les tensions aux bornes de la résistance 22, lesquelles tensions risqueraient de détruire le transistor MOSFET 70. Au moyen de l'invention telle que décrite ici, on supprime la sensibilité aux tensions transitoires dans le réseau de charge de circuits de relais a semi-conduc- teurs qui utilisent un semi-conducteur de puissance en tant que dispositif de commutation. Les circuits décrits ici peuvent être utilisés en présence de fortes tensions transitoires sans que les pointes de tension transférées par la capacité entre bornes du dispositif de commutation rendent momentanément conducteur le dispositif de commuta- tion, avec des résultats pouvant être catastrophiques pour le réseau associé. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au circuit décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit de relais à semi-conducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte un semi-conducteur (38) de puissance pour le dispositif de commutation, ce semi- conducteur de puissance comportant des bornes de grille (34), de source (36) et de drain, les bornes de source et de drain étant destinées à être connectées aux bornes d'un circuit de charge (46), un moyen (54) de commutation établissant un trajet normalement non conducteur entre les bornes de grille et de source, et des moyens destinés à commuter le dispositif de commutation dans un état conducteur en réponse à l'apparition de pointes de tension dans le circuit ouvert, lesquelles pointes ont une valeur suffisante pour amener le semi-conducteur de puissance à conduire avant que ce semi-conducteur de puissance puisse être amené à conduire. 2. Circuit de relais à semi-conducteurs selon. la revendication 1, dans lequel les moyens de commutation comprennent un transistor (54). 3. Circuit de relais à semi-conducteurs selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transistor comporte des bornes d'émetteur et de collecteur connectées entre les bornes de grille et de source du semiconducteur de puissance, et une borne de base connectée de façon à recevoir des pointes de tension transmises par la capacité interne du semi-conducteur de puissance. 4. Circuit de relais à semi-conducteurs selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens destinés à commuter le dispositif de commutation dans un état conducteur comprennent un condensateur (50) connecté entre les bornes de grille et de source du semi-conducteur de puissance et à la borne de base du transistor. 5. Circuit de relais à semi-conducteurs selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens destinés à commuter le dispositif de commutation dans un état conducteur comprennent en outre une résistance (52) connectée en série avec le condensateur entre les bornes de grille et de source du semi-conducteur de puissance. 6. Circuit de relais & semi-conducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commutation comprennent un transistor du type MOSFET (70). 7. Circuit de relais à semi-conducteurs selon la revendication 6, caractérisé en ce que le transistor MOSFET comporte des bornes de drain et de source connectées entre les bornes de grille et de source du semiconducteur de puissance, et une borne de grille connectée de façon à recevoir des pointes de tension transmises à partir du circuit de charge. 8. Circuit de relais à semi-conducteurs selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens destinés à commuter le dispositif de commutation dans un état conducteur comprennent un condensateur (74) connecté entre les bornes de drain et de source du semi-conducteur de puissance et à la borne de grille du transistor MOSFET. 9. Circuit de relais à semi-conducteurs selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens destinés à commuter le dispositif de commutation dans un état conducteur comprennent en outre une résistance (72) connectée en série avec le condensateur entre les bornes de drain et de source du semi-conducteur de puissance.