Brevet FR2649841A1 — publié le 19910118

CIC3IT DE CXOWDE DE GRILtE D'UN TRANSISICR La présente invention concerne de façon générale la commrade d'un transistor MOS de puissance ou autre composant de puissance présentant une capacité d'entrée élevée. Cette capacité d'entrée a un effet rnon rnégligeable du fait que de tels dispositifs sont couramment conacines en cmu- tation et que les fréquences de ommriutation deviennent de plus en plus élevées. LesT figures lA et 1B illustrent deux variantes d'un montage élêmentaire de ommutation d'un transistor MDS de puissanoe T. Dens le cas représenté, le transistor T est relié par sa source à la masse et son drain est destirn à être connecté directement ou indirecteent à une charge dans laquelle on veut oammuter de l'éergie électrique. Ce transistor présente une capacité grille/souroe C , et une capacité grille/drain qui est génralment appelée "capacité Miller" Cm. Si l'on veut commuter rapidement ce transistor, il faut charger et décharger rapidement la capacité d'entrée C, équivalente à l'ensemble des caeptités C, et C;,. Pour cela, on utilise des montages qui présentent les carateristiques illustrées en figure lA ou en figure lB. La grille G du transistor T peut être reliée ou bien à une borne d'alimentation 10 (tension V) ou bien à la masse M par l'intermédiaire d'interrupteurs 11 et 12. Toutefois, cette connexion présente généralement une résistance serie qui peut être, ou bien, comme dans le cas de la figure IA, disposée entre le point milieu des commutateurs et la grille, ou bien, come dans le ca de la figure lB, en série avec chacun des comnuta- teurs 11 et 12. A chaque commutation on cornsmera dans la résis- tance impliquée une énergie CV /2 (cette énergie ne dépendant pas de la résistance mais seulement de la capacité de grille et de la tension appliquée). Si la fréquence devient trés élevée, il se produit un grand nombre de commutations par second:e (un million à un mégahertz) et oette perte d'énergie qui était génralement considérée comme négligeable ne l'est plus. Si la capacité d'entrée a une valeur de 10 nF et que la tension d'entrée a une valeur de 15 volts, l'énergie cxnsommee à chaque commutation est de 1,13 pJ, soit une consommation d'énergie de 1,13 J/s à 1 MHz. On connait également dans la technique, des montages dans lesquels il apparait une inductane série sur la grille du transistor que l'on souhaite comnrnder. Toutefois, oette induc- tance série est couplée par une résistance à une inductance de valeur L associée à un transformateur de charge et l'ensemble est destirné à dêphaser la commande du transistor par rapport au courant dans le circuit principal de charge. Et on retrouve toujours dans ces circuits une consimation à chaque commutation de l'ordre de CV2 /2. En outre, ces circuits ne permettent pas de modifier la fréquence de cummutation puisque oelle-ci est liée à la frquence de résonance du circuit et dépend donc des valeurs des inductances et capacités choisies. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir à faible consommation. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un circuit de comuTande de grille de transistor MOS de puissance permettant de fournir sur la grille une tension supérieure à la tension de la source d'alimentation utilisée. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel circuit ne fnctionnant pas à une fréquenc imposée. Pour atteindre oes objets, la présente invention prévoit un circuit de ommxalde de la grille d'un transistor M0S de puaissance présentant une capacité d'entrée dans lequel oette grille est en série avec une inductarnce, comprenant des moyens pour précharger l'indutrane; des premiers moyens pour transfé- rer l'énergie- emgasinée dans l'inductane vers la capacité d'entrée lors d'une ommanie de fermeture; et des secods moyens pour transférer en retour vers l'inductarn l'énergie stockée dans la capacité d'entrée lors d'une cmnade d'ouverture. Selon un mode de réalisation de la présente invention, il est prévu un condensateur auxiliaire dans lequel s'effectuent les transferts d'énergie provoqués par 1'irdlrtance. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit de commande de grille comprend quatre interrupteurs munis de diodes antiparallèle montés en pont, une diagonale du pont étant reliée à une souroe d'alimentation avec un condensa- teur en parallèle et l'autre diagonale du pont étant reliée par une inductace, l'une des bornms de oette -irtnate étant onnectée& à la grille du transistor MS6 de puissanoe. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de préhiarge d'inductance sont reliés entre cette indiutanLe et la grille du transistor M06, en oe que les premiers mcyens de transfert d' énergie comprennent un comutateur en série avec une diode d'une première polarité et en oe que les seconds moyens de transfert coprennent un interrupteur et une diode de polarité opposée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la borne de l'indutRtanoe non o-umcte à la grille est reliée à tune premidère borne du montage en parallèle d'une première diode et d'un interrupteur avec une seconde diode et un autre interrup- teur, les diodes étant de polarités cpposées, l'autre borne de ce montage en parallèle étant reliée à la première borne du cxxen- sateur auxiliaire et à des moyens de précharge. Ainsi, selon la présente invention, il y a en théorie une consommaticn de puissance nulle dans la grille, l'énergie étant chaque fois récupérée. Le seul apport d'énergie est l'apport d'énergie initial de CV /2 néoessaire à la première commutation. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de moDdes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures lA et lB décrites préademuent illustrent des circuits de commande de grille classiques; la figure 2 représente un premier mode de réalisation d'un circuit de commarnde de grille selon la présente invention; les figures 3 et 4 représentent des chrcagrammes de fcrctionrrements possibles du circuit de la figure 2; la figure 5 représente un deuxième mode de réalisation de la présente invention; la figure 6 représente des chrcrúgrammes associés au fcoctionerment du circuit de la figure 5; la figure 7 représente un troisième mode de réalisation d'un circuit selon la présente invention; la figure 8 représente des chrc,-gra.m's illustrant le fonctionnement du circuit de la figure 7; et la figure 9 représente un quatrième mode de réalisation d'un-circuit selon la présente invention. On retrouve dans la figure 2 le transistor de puissanoe T de la figure 1 avec ses capacités d'entrée C, et C; équivalant à une capacité d'entrée C;. Le circuit comprend quatre interrup- tbeurs représentés sous forme de transistors M0E Tl à T4 compre- nant chacun une diode anti-parallèle Dl à D4. Les drains ommuns des transistors Tl et T2 sont reliés à unie source d'alimentation, les sources communes des transistors T3 et T4 sont reliées à la masse, la souroe du transistor T1 est reliée au drain du tran- sistor T3 et la source du transistor T2 est reliée au drain du transistor T4. Le point de connexion des transistors T1 et T3 est relié au point de connrexion des transistors T2 et T4 par l'inter- mdiaire d'une inductance L. En outre, l'une des bornes de cette inductanoce est reliée à la grille du transistor de puissanoe T que l'on veut om"uter. On a également représenté un ateu r C en perallèle sur la souroe d'alimentation V. Le fconctiorement de ce circuit va être expliqué en relation avec les c úroeDgramms illustrés en figure 3. On suppose qu'initialement tous les transistors T1 à T4 sont bloqués et que le transistor T est bloqué. A l'instant initial, tO, on met en hiduction les transistors diagonalement opposes T2 et T3. Ceci provoque la circulation d'un courant dans 1'inductarce L, oe courant crouissant jusqu'à oe que le transistor T2 soit bloqué à un instant tl. Pendant cette durée, on a atteint un courant Il et emmagasin -dans 1 'foctaxr_ une énergie LI, 2/2. Comme on le verra ci-après, c'est la seule xonsomation d'énergie demandée à la source. Après l'instant tl, le courant tourne en passant par le transistor T3 et la diode D4. Si alors, à un instant t2, le transistor T3 est bloqué, de l'énergie se transfère de l'induc- tanoe dans la capacité d'entrée C. du transistor T dont la tension Vg. croit jusqu'à un instant t3 auquel la tension sur la capacité a atteint la valeur V et une limitation se produit sous l'effet de la diode Dl et 1'excès d' énergie éventuel dans 1'indctance L est renvoyé à la souroe (sur le condensateur C) par un chemin passant par les diodes D4 et D1 jusqu'à démagné- tisaticn de 1'inductanre. Pour bloquer le transistor T, on rend passant le transistor T4 et le transistor T1. Dans un premier temps, du courant circule dans la boucle omperenant la capacité d'entrée, l'iXnductance L et le transistor T4 à l'état passant et l'énergie stodcée dans la capacité est transférée à partir de l'instant t4 dans l'induct:x L dans laquelle circule un courant Il de sens inverse de oelui ronsidéré précèdemment. A un instant t5, le transistor T4 est bloqué, 1 'inductane L garde son énergie ét le courant Il tourne dans la boucle constitutée par le transistor T1, l'irxâctance L et la diode D2. Quand le transistor T1 est bloqué, à l'instant t6, l'énergie dans 1'irdictanoe est renvoyée à la source par l'intermédiaire du trajet comprenant la diode D3, l'inductance L et la diode D2. On obtient ainsi des transferts d'énergie de la capacité-réservoir C de la source vers l'inductance L, puis de l'inductance L vers la capacité d'entrée CE du transistor de *puissance, puis des transferts inverses d'énergie de CE vers L et de L vers C. Ainsi, d'un point de vue théorique, oe circuit peut fonctionner de façon répétée sans consommation d' énergie. Toute- fois, en raison des pertes inhérentes à tout circuit électrique, il sera prudent de prévoir une recharge régulière du condensateur C par une souroe d'alimentation V, bien qu'en théorie cette souroe d'alimentation ne doive servir qu'à la charge initiale du condensateur-réservoir C. La figure 4 représente un autre chrcúgramme de fonc- tionrnemrent possible du circuit selon- la présente invention dans lequel, à la fermeture, les transistors- T3 et T2 sont bloqués simultanément et, à l'ouverture, les transistors T4 et T1, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de phase de fonctiorxent intermé- diaire en roue libre de la charge dans 1'intxar L. Selon un avantage supplémentaire de la présente inven- tion, on notera que, cmne cela est connu de l'homme de l'art, le fait d'injecter des charges dans la capacité d'entrée ou de décharger la capacité d'entrée d'un transistor de puissance par l'intermiaire d'une self permet d'obtenir des temps de charge et de décharge plus rapides qu'avec des résistances. On notera également que le circuit de cmnarde de grille selon la présente invention est indépedant du circuit principal du transistor de puissance et que sa fr ieto. de fonctionnerent peut être choisie librement. En outre, pour des raisons d'optimisation, l'hmnme de l'art pourra préférer placer un condensateur supplémentaire en parallèle sur la capacité d'entrée C,. La figure 5 illustre un autre mode de réalisation de la présente invention. On y retrouve le transistor de puissance T, sa capacité d'entrée C;, et une induetance L. Une souroe auxi- alire 20 permet de pcrharger la capacité CE à une tension néga- tive choisie, par exemple -10 volts. Cette source auxiliaire peut être isolée du circuit d'entrée par un interrupteur 21. L'induc- tance L est reliée à la masse d'une part par l'internmédiaire d'une première diode 22 en série avec-un interrupteur 23, d'autre part par l'interdiaire d'une seconde diode 24 en série avec un interrupteur 25, les diodes 22 et 24 étant de polarité opposée. Les interrupteurs 23 et 25 peuvent classiquement être des transistors MOS tels que décrits préc'demment. Le fonctionement du circuit de la figure 5 va être décrit en relation avec la figure 6 qui illustre le courant Il dans l'indurctance et la tension V95 sur la grille du transistor de puissance T. Si l'on part de l'état initial à l'instant tlO o la capacité est chargée sous -10 volts et o aucun courant ne circule dans l'inductance et que l'on ferme l'interruDteur 25, un couxrant rnégatif va circuler dans la diode et la polarité aux bornes du condensateur va s'inverser pour passer d'une valeur négative, par exemple -10 volts, à une valeur positive, par exemple +10 volts, à un instant tll, instant auquel l'interrup- teur 25 est réouvert (on notera que oette valeur positive peut dépasser 10 V si l'on ferme l'interrupteur 25 perndant une durée plus longue). La charge se maintient alors normalement sur le conde sateur pour s'inverser à nouveau à partir de l'instant t12 o l'interrupteur 23 est fermé. Ainsi, grâce à des transfert d'énergie répétés sur la capacité CE par l'interndiaire de 1'inductance L, on arrive à omianrder des acmmutations du transistor T sans cxnsommation d'énergie. Toutefois, en raison des pertes inhérentes à tout circuit, on prévoira de refermer régulièremnt l'interrupteur 21 perdant des phases de charge rngative de la grille pour penser les pertes en rechargeant nrgativemant la capacité C.. On rntera que dans oe mode de réalisation on peut considérer la capacité C, tantôt cofi, la capacité de grille qui se charge pour entrainer la conducticn du transistor de puissance T tantôt omme un cordensateur auxiliaire qui se charge en inverse po= stocker les charges '*essaires à la charge ulté- rieure selon l'autre polarité de oette capacité. La figure 7 représente un troisième mode de réalisation de la présente invention dans lequel on trouve avec les miMes références des curpsants existant dans les modes de réalisation pré nts. La deuxième borne de 1'inductanc L, non connetée à la grille du transistor de puissance T est reliée à un co0ensateur auxiliaire C dont l'autre borne est à la masse par l'intermtédiaire du montage en parallèle d'ure première diode 31 en série avec un interrupteur 32 et d'une deuxième diode 33 en série avec un interrupteur 34. La diode 31 est polarisée en inverse par rapport à la diode 33. Là encore, comme dans le mode de réalisation précdent, les charges sont échangées par l'intermédiaire de 1' inductanc L entre la capacité CQ et le oer0ensateur auxiliaire C qui peut être considéré oimme une capacité réservoir initialemet chargée et periodiquement rechargée par une souroe de courant 35 perdant des durées déterminées par un interrupteur 36. En figure 8, on a représenté la variation du courant Il en fcxx ion de la cmutation des interrupteurs 32 et 34 ainsi que la variation de la tension de grille Vg. du transistor de puissance T, et, en pointillés, la variation de charge sur le crx ensateur auxiliaire C. La figure 9 représente un quatrième mDde de réalisation de la présente inventicn dans lequel on trouve avec les n&oes - référerïcs des cxmosants existant dans les modes de réalisation Précédents. La deuxième borne de 1 Jirndctanoe L, non oectée à la grille du transistor de puissance T est reliée à un montage en parallèle d'une première diode 41 en série avec un interrupteur 42 et d'une deuxième diode 43 en série avec un interrupteur 44. La diode 41 est polarisée en inverse par rapport à la diode 43. La diode 41 est reliée à une souroe d'alimentation positive et la diode 43 est reliée à la masse. En outre une diode zeoer Z est connectée aux bornes de la capacité C,. Ainsi, à chaque fermeture de l'interrupteur 42, C, se charge à une tension limitée par la diode zener et qui peut être supérieure à oelle de la souroe d'alimentation positive. Ce mode de réalisation satisfait au deuxième objet de l'invention. L'h mme de l'art pourra envisager de rnobreuses varian- tes à la présente invention dont l'aspect fondamental réside dans le fait que, pour un interrupteur de puissance présentant une capacité d'entrée et commandé en wommutation, la comande est effectuée par transfert de charge entre sa capacité d'entrée et un odensateur auxiliaire par l'intermédiaire d'une inductarnce servant au stockage de l'énergie. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la capacité d'entrée peut elle-mâme servir de condensateur auxiliaire pendant les phases de blocage du transistor de puissance. REVENDICATICNS 1. Circuit de comarde de la grille d'un oomposant de puissance à entrée capacitive tel qu'un transistor Ma S de puissance (T) présentant une capacité d'entrée (C;) dans lequel oette grille est en série avec une inductanoe (L), caractérisé en ce qu'il comprend: - des n oyens pour préharger 1' id;ta - des premiers moyens pour transférer l'énergie emmagasinée dans l'inductance vers la capacité d'entrée lors d'une commande de fermeture; et - des secoxxnds moyens pour transférer en retour vers l'inductance l'énergie stockée dans la capacité d'entrée lors d'uns commarnde d'ouverture. 2. Circuit de commande de grille selon la revendication 1, caractérisé en oe qu'il comprend en outre un condensateur auxiliaire (C) dans lequel s'effectuent les transferts d'énergie provoqués par l'inductance. 3. Circuit de commande de grille selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend quatre interrupteurs (T1-T4) munis de dioIes antiparallèle (D1-D4) montés en pont, une diagcnale du pont étant reliée à une source d'alimentaticn avec un condensateur en parallèle et l'autre diagonale du pont étant reliée par une inductance, l'une des bornes de cette inxdutance étant conrnectée à la grille du transistor MDS de puissance. 4. Circuit de ommande de grille selon la revendication 1, caractérisé en oe que les moyens de préeharge d'îini&xar (20, 21) sont reliés entre cette inductance et la grille du transistoK M0S, en ce que les premiers moyens de transfert d'érnergie comprennent un commutateur (25) en série avec une diode (24) d'une première polarité et en ce que les seconds moyens de transfert comprennent un interrupteur (23) et une diode (22) de polarité cpposée. il 5. Circiit de coeimnaxe de grille selon la revendication 2, caratérisé en ce que la borne de l'inductance non cnnectée à la grille est reliée à une première borne du montage en parallèle d'unie première diode (33) et d'un interrupteur (34) avec une seconde diode (31) et un autre interrupteur (32), les diodes étant de polarités opposées, l'autre borne de ce montage en parallle étant reliée à la première borne du omkensateur auxi- Maire (C) et à des noyens de prêcharge (35, 36).