Brevet FR2665309A1 — publié le 19920131

APPAREIL DE COMMANDE A SEMI-CONDUCTEURS La présente invention se rapporte à un appareil de commande à semiconducteurs dans lequel, par exemple, des transistors sont utilisés. La figure 7 est un schéma de circuit montrant un appareil de commande à semi-conducteurs classique Sur cette figure, les références numériques la et lb désignent chacune un transistor bipolaire à grille isolée, qui est un élément de commande à semi-conducteurs (désigné dans la suite par IGBT) Chaque IGBT possède une paire d'électrodes de circuit principal, constituée d'un collecteur C'et d'un émetteur E Chaque IGBT est de plus pourvu d'une borne (e) du côté de l'émetteur E qui est maintenue à une tension de référence, et possède une électrode de commande (g) qui est isolée du collecteur C et de l'émetteur E La référence numérique 2 désigne une ligne commune du côté de l'alimentation en courant; la référence numérique 3 désigne une ligne commune du coté des charges; la référence numérique 4 désigne un premier conducteur de connexion du côté gauche; la référence numérique 5 désigne l'inductance du conducteur de connexion 4 du côté gauche représenté de manière schématique; la référence numérique 6 désigne un premier conducteur de connexion du côté droit; et la référence numérique 7 désigne l'inductance du conducteur de connexion 6 du côté droit représenté de manière schématique Les deux IGBT 1 des côtés droit et gauche ont leurs collecteurs C connectés à la ligne commune 2 d'alimentation en courant par l'intermédiaire respectivement des seconds conducteurs de connexion 4 a et 6 a; leurs émetteurs E connectés à la ligne commune 3 du côté charges par l'intermédiaire et respectivement des premiers conducteurs de connexion 4 et 6. La référence numérique 10 désigne une alimentation en courant de commande qui est reliée en commun aux deux IGBT 1 L'alimentation en courant de commande 10 contient à l'intérieur deux alimentations en courant: une alimentation en courant 11 pour la fermeture et une alimentation en courant 12 pour l'ouverture connectées comme cela est montré à la figure 7 Le côté négatif de l'alimentation en courant 11 pour la fermeture et le côté positif de l'alimentation en courant 12 pour l'ouverture sont connectés à une borne 13 Le côté positif de l'alimentation en courant 11 pour la fermeture et le côté négatif de l'alimentation en courant 12 pour l'ouverture sont connectés à une borne 14 par l'intermédiaire d'un circuit de commutation non représenté. Les références numériques 15 et 18 désignent chacune une première ligne de connexion, et les références numériques 17 et 20 désignent chacune une seconde ligne de connexion Les lignes de connexion relient chacune les bornes 13 et 14 de l'alimentation en courant de commande avec les bornes (e) et les électrodes de commande (g) des IGBT 1 des côtés droit et gauche, comme cela est montré à la figure 7 La référence numérique 16 désigne de manière schématique l'inductance de la ligne de connexion 15; la référence numérique 19 désigne de manière schématique l'inductance de la ligne de connexion 18. Le fonctionnement de l'appareil de commande à semi- conducteurs classique va maintenant être expliqué La tension de l'alimentation en courant de fermeture 11 est appliquée en fermant un circuit de commutation non représenté, de sorte que les bornes (e) deviennent négatives et que les électrodes de commande (g) deviennent positives Ce dont il résulte que les sections entre les collecteurs C et les émetteurs E sont rendues conductrices en réponse à la tension appliquée, en faisant en sorte par ce moyen qu'un courant de charge s'écoule à partir de la ligne commune côté alimentation 2 vers la ligne commune côté charges 3 Si une tension prédéterminée de l'alimentation en courant d'ouverture 12 est appliquée de manière à ce que les bornes (e) deviennent positives et que les électrodes de commande (g) deviennent négatives, la conductance entre le collecteur C et l'émetteur E est bloquée, en coupant par ce moyen l'écoulement du courant de la ligne commune côté alimentation 2 vers la ligne commune côté charges 3. Les éléments de commande à semi-conducteurs subissent généralement des variations dans le retard (de commutation) qui s'écoule entre le moment o un signal d'ouverture/fermeture est donné à leurs électrodes de commande et le moment o la section entre les électrodes - de circuit principal est ouverte/fermée Egalement, les conducteurs de connexion et les lignes de connexion pour relier les éléments de commande à semi-conducteurs ou analogues ont une certaine inductance. Il sera supposé que les IGBT la et lb des deux côtés droit et gauche sont ouverts par un signal de tension issu de l'alimentation en courant de commande 10, faisant ainsi en sorte que le courant s'écoulant du collecteur C de chaque IGBT la et lb vers leurs émetteurs E soit coupé Si le retard de coupure de l'IGBT de gauche la devient plus court que le retard de coupure de l'IGBT de droite lb, le courant s'écoulant à travers l'IGBT la sera réduit plus tôt Par conséquent, une tension proportionnelle au produit du rapport de variation du courant qui dépend des caractéristiques de 1 'IGBT la et de l'inductance 5 du conducteur de connexion 4 du côté gauche se développe aux bornes de l'inductance 5, cette tension ayant les polarités représentées à la figure 7, c'est-à-dire, que la ligne commune côté charges 3 devient positive et l'émetteur E de l'IGBT la devient négatif. Cette tension développée est divisée en une pluralité de tensions ayant les polarités indiquées par les symboles + et à la figure 7 en proportion des inductances respectives des circuits série formées par l'inductance 7, l'inductance 19 et l'inductance 16 Ce dont il résulte qu'une tension plus petite que ou plus grande que la tension appliquée à partir de l'alimentation en courant de commande 10 est appliquée aux électrodes de commande (g) des IGBT la ou lb. Puisque l'appareil de commande à semi-conducteurs classique est construit comme décrit ci- dessus, une tension induite par les inductances 5 et 7 au moment de la commande, c'est-à-dire, à l'instant d'ouverture/fermeture est appliquée aux inductances 16 et 19 situées entre l'alimentation de courant de commande 10 et les bornes (e) des IGBT, avec pour résultat qu'une tension plus élevée ou plus basse que la tension délivrée à partir de l'alimentation en courant de commande 10 est appliquée à l'électrode de commande (g) de l'IGBT Par conséquent, il se produit des cas dans lesquels les IGBT ne fonctionnent pas correctement, ou, dans certains cas, des IGBT ont été détruits parce qu'une tension au-dessus d'une tension admissible pour les IGBT leur a été appliquée. La présente invention a été concue pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus C'est par conséquent un objectif de la présente invention que d'obtenir un appareil de commande à semi-conducteurs hautement fiable qui soit capable de commander d'une manière stable une pluralité d'éléments de commande à semi-conducteurs, l'une des électrodes de circuit principal étant connectée en commun, au moyen d'une alimentation en courant de commande commune. Dans l'appareil de commande à semi-conducteurs de la présente invention, un transformateur comportant une première bobine et une seconde bobine qui est réalisée de manière à avoir la même polarité que celle de la première bobine est installé La première bobine est insérée entre l'alimentation en courant de commande et l'une des électrodes de circuit principal d'un élément de commande à semi-conducteurs La seconde bobine est insérée entre l'alimentation en courant de commande et l'électrode de commande de 1 ' élément de commande à semi-conducteurs. Dans le transformateur de la présente invention, une première bobine est réalisée de manière à présenter une tension produite sur l'une des électrodes de circuit principal d'un élément de commande à semiconducteurs lorsque 1 ' élément de commande à semi-conducteurs est commandé Une tension ayant la même polarité que celle de la tension cidessus est produite, par une seconde bobine, située entre l'alimentation en courant de commande et l'électrode de commande de l'IGBT Ainsi, la tension produite du côté des électrodes de circuit principal est supprimée ou décalée, en faisant en sorte par ce moyen qu'aucune tension anormale ne soit appliquée à 1 ' électrode de commande. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est un schéma de circuit montrant un mode de réalisation d'un appareil de commande à semi- conducteurs de la présente invention; La figure 2 est un schéma de circuit montrant un autre mode de réalisation de l'appareil de commande à semi-conducteurs de la présente invention; Les figures 3 à 6 sont des vues montrant d'autres éléments utilisés comme éléments de commande à semi- conducteurs dans la présente invention; et La figure 7 est un schéma de circuit montrant ce type d'appareil de commande à semi-conducteurs classique. La figure 1 est un schéma de circuit montrant un mode de réalisation d'un appareil de commande à semi- conducteurs de la présente invention Des transformateurs 31 et 35 sont disposés entre une alimentation en courant de commande 10 et, respectivement des IGBT la et lb Le transformateur 31 comprend une première bobine 32 et une seconde bobine 33, qui sont toutes deux bobinées autour d'un noyau de fer 34 avec le même nombre de tours et la même polarité, comme cela est montré à la figure 1 La première bobine 32 est insérée dans une première ligne de connexion 15 qui relie une borne 13 de l'alimentation en courant de commande 10 à une borne (e) de l'IGBT la La seconde bobine 33 est insérée dans une seconde ligne de connexion 17 qui relie une borne 14 de l'alimentation en courant de commande 10 à l'électrode de commande (g) de l'IGBT la La structure du transformateur 35 est la même que celle du transformateur 31 Une première bobine 36 et une seconde bobine 37 sont bobinées autour d'un noyau de fer 38 avec le même nombre de tours et la même polarité. Ces bobines sont connectées avec la polarité montrée à la figure 1 entre l'alimentation en courant de commande 10 et 1 'IGBT de droite lb Puisque les autres composants de la figure 1 sont les mêmes que ceux de la technique antérieure montrés à la figure 7, les mêmes références numériques sont données aux composants correspondants et leur description est omise. Une description du fonctionnement de l'appareil de commande à semi-conducteurs va maintenant être donnée Il est supposé que l'état des deux IGBT la et lb est modifié à partir d'un état conducteur en un état non conducteur par un signal issu de l'alimentation en courant de commande 10 de la même manière que dans la technique antérieure de la figure 7, ce par quoi les électrodes de circuit principal des IGBT la et lb coupent le courant s'écoulant à partir du collecteur C vers l'émetteur E. Par exemple, si le retard de coupure de l'IGBT la est plus court que le retard de coupure de l'IGBT lb, le courant s'écoulant à travers l'IGBT la est réduit plus tôt En ce qui concerne une tension induite dans l'inductance 5, comme cela est montré à la figure 1, le côté de l'IGBT la a une polarité négative et le côté de la ligne commune côté charges 3 à une polarité positive de la même manière que dans la technique antérieure. Cette tension développée est divisée par le facteur d'impédance d'une inductance 7, d'une inductance 19, de la première bobine 36 du transformateur 35, de la première bobine 32 du transformateur 31, et de l'inductance 16 dans un circuit série comprenant un premier conducteur de connexion 6 du côté droit de celui- ci, les premières lignes de connexion 18 et 15, et les transformateurs 35 et 31 Les valeurs d'impédance d'excitation des transformateurs 31 et 35 sont choisies de manière à être suffisamment plus grandes que les impédances des inductances 16 et 19, avec pour résultat que la première bobine 32 du transformateur 31 et la première bobine 36 du transformateur 35 sont chargées avec la plus grande partie de la tension induite dans l'inductance 5 La même tension qui a la même polarité que la tension délivrée à ces premières bobines 32 et 36 est induite dans les secondes bobines 33 et 37 respectivement Ce dont il résulte que les valeurs des tensions respectives appliquées aux sections situées entre les émetteurs E et les électrodes de commande (g) des IGBT la et lb sont annulées l'une l'autre par la première bobine 32 et la seconde bobine 33 du transformateur 31, et la première bobine 36 et la seconde bobine 37 du transformateur 35, respectivement Puisque les valeurs des impédances respectives des transformateurs 31 et 35 vues à partir de l'alimentation en courant de commande 10 deviennent nulles, ce fait ne produisant aucune inhibition d'un signal appliqué à la section située entre l'électrode de commande (g) et la borne (e) de chacun des IGBT la et lb, un signal souhaité peut être délivré à la section située entre 1 ' électrode de commande (g) et la borne (e). La figure 2 montre un autre mode de réalisation de la présente invention Les côtés d'alimentation en courant des IGBT la et lb, c'est- à-dire, les côtés des collecteurs C, sont respectivement connectés à des lignes communes 41 et 42 qui sont connectées à des parties d'alimentation en courant individuel Les IGBT la et lb sont commandés à différents moments par l'alimentation en courant de commande 10 Dans ce cas, des bornes 43 et 44 sont disposées dans l'alimentation en courant de commande en plus des bornes 13 et 14 et l'alimentation en courant 11 pour la fermeture et l'alimentation en courant 12 pour l'ouverture sont connectées comme cela est montré, de manière à ce que les IGBT droit et gauche la et lb puissent être commandés individuellement par l'alimentation en courant de commande 10 La tension de l'alimentation en courant 11 pour la fermeture ou celle de l'alimentation en courant 12 pour l'ouverture est de manière individuelle appliquée entre les électrodes de commande (g) et les bornes (e) des IGBT la et lb par la fermeture d'un circuit de commutation (non représenté). Des condensateurs 45 et 46 qui sont des condensateurs d'absorption de pompage, et qui sont disposés respectivement entre les électrodes de commande (g) et les bornes (e) de chacun des IGBT la et lb, c'est-à-dire que chaque condensateur est connecté entre la première et la seconde ligne de connexion. Dans l'appareil de commande à semi-conducteurs montré à la figure 2 et construit comme cela est décrit ci-dessus, les IGBT la et lb sont commandés indépendamment l'un de l'autre Une tension développée aux bornes de l'inductance 5 ou de l'inductance 7 lorsque chacun des IGBT la et lb est ouvert/fermé est compensée respectivement par le transformateur 31 et 35 Par conséquent, aucune tension n'est produite entre l'électrode de commande (g) et la borne (e) de la même manière que dans le mode de réalisation de la figure 1. Dans chacun des modes de réalisation décrits ci- dessus, il a été montré un cas dans lequel les transformateurs 31 et 35 sont insérés séparément entre l'alimentation en courant de commande 10 et l' électrode de commande (g) de chacun des IGBT la et lb, respectivement Cependant, le même effet peut être obtenu si d'autres éléments impédants sont insérés en série en plus des transformateurs 31 et 35 Le rapport des nombres de tours de la première et de la seconde bobine des transformateurs 31 et 35 n'a pas besoin d'être obligatoirement de 1 à 1. Bien qu'un cas dans lequel des éléments de commande à semi-conducteurs sont des IGBT ait été montré dans chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus, il va sans dire que le même effet peut être obtenu (a) si des éléments de commande à semi-conducteurs du -type à commande de tension qui sont les mêmes que les IGBT, tels que des transistors bipolaires à grille isolée qui sont du type MOSFET (transistor à effet de champ à semi- conducteurs à grille isolée par oxyde métallique), comme cela est montré à la figure 3, sont utilisés, (b) si des éléments de commande à semiconducteurs du type à commande de courant, comme les transistors bipolaires montrés à la figure 4, sont utilisés, et (c) si des éléments de commande à semi-conducteurs comme des thyristors ou des thyrirstors blocables (GTQ) montrés aux figures 5 et 6 sont utilisés. Comme cela a été expliqué ci-dessus, selon la présente invention, un transformateur est disposé entre chaque élément de commande à semiconducteurs et une alimentation en courant de commande, respectivement, de manière à annuler une tension développée au moment o les éléments de commande à semi-conducteurs sont commandés, en faisant en sorte par ce moyen qu'aucune tension anormale ne soit appliquée aux électrodes des éléments de commande à semi-conducteurs Par conséquent, on obtient ainsi un appareil de commande à semi-conducteurs hautement fiable dans lequel les éléments de commande à semi-conducteurs ne présentent aucun mauvais fonctionnement et dans lequel aucune rupture d'isolation ne se produit. Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit et du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1 Appareil de commande à semi-conducteurs comprenant: une pluralité d'éléments de commande à semi- conducteurs (la, lb) ayant chacun une électrode de commande (g) et une paire d'électrodes de circuit principal (C, E); des premiers conducteurs de connexion ( 4, 6) pour connecter l'une des paires d'électrodes de circuit principal (E), des éléments de commande à semi- conducteurs (la,lb) en commun avec une ligne commune côté charges ( 3); des seconds conducteurs de connexion ( 4 a,6 a) pour connecter les autres électrodes (C) de la paire d'électrodes de circuit principal des éléments de commande à semi-conducteurs (la,lb) avec au moins une ligne commune côté alimentation en courant ( 2); une alimentation en courant ( 10) pour délivrer au moins l'une d'une tension positive et d'une tension négative par rapport à une tension de référence de ladite une électrode de circuit principal (E) à l'électrode de commande (g) de chacun des éléments de commande à semi- conducteurs (la,lb); des moyens de connexion comprenant des premières lignes de connexion ( 15,18) connectant lesdites unes électrodes de circuit principal (E) de chacun desdits éléments de commande à semi-conducteurs (la,lb) en commun avec l'alimentation en courant de commande ( 10) de manière à délivrer la tension de référence et comprenant des secondes lignes de connexion ( 17,20) connectant les électrodes de commande (g) de chacun des éléments de commande à semi- conducteurs (la,lb) avec l'alimentation en courant de commande ( 10) de manière à délivrer au moins l'une d'une tension positive et d'une tension négative; et caractérisé en ce que des transformateurs ( 31,35) disposés pour chacun des éléments de commande à semi-conducteurs (la,lb), dont il chacun est composé de premières bobines ( 32,36) insérées dans lesdites premières lignes de connexion ( 15,18) et des secondes bobines ( 33,37) insérées dans lesdites secondes lignes de connexion ( 17,20) bobinées avec la même polarité que celle des premières bobines. 2 Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1, caractérisé en ce que l'autre électrode de circuit principal (C) de chacun des éléments de commande à semi-conducteurs (la, lb) est connectée en commun avec une ligne commune d'alimentation en courant ( 2); 3 Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que les secondes lignes de connexion ( 17,20) desdits moyens de connexion sont connectés en commun à l'alimentation en courant de commande ( 10) et en ce qu'une tension est appliquée en commun aux électrodes de commande (g) de chacun des éléments de commande à semi-conducteurs (la,lb). 4 Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que les autres électrodes de circuit principal (C) de chacun des éléments de commande à semi-conducteurs (la, lb) sont connectées à des lignes communes d'alimentation en courant différentes ( 41,42). Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que les secondes lignes de connexion ( 17,20) desdits moyens de connexion sont connectés individuellement à l'alimentation en courant de commande ( 10) et en ce qu'une tension d'une polarité souhaitée est appliquée individuellement à l'électrode de commande (g) de chacun des éléments de commande à semi-conducteurs (la,lb). 6 Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que des moyens d'absorption de pompage ( 45,46) sont disposés entre lesdites unes électrodes de circuit principal (E) et 1 ' électrode de commande (g) de chacun des éléments de commande à semi-conducteurs (la,lb). 7 Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 6 caractérisé en ce que lesdits moyens d'absorption de pompage sont des condensateurs ( 45,46) connectés entre lesdites premières lignes de connexion ( 15,18) et lesdites secondes lignes de connexion ( 17,20). 8 Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que les éléments de commande à semiconducteurs (la,lb) sont des transistors bipolaires à grille isolée. 9 Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que les éléments sont des transistors à effet de champ du type à grille isolée. Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que les éléments sont des éléments de commande à semi- conducteurs du type à commande de courant. 11 Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que les éléments sont des thyristors. 12 Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que les éléments sont des thyristors GTO (blocables). 13 Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que chacun desdits transformateurs ( 31,35) possède un noyau de fer ( 34,38) autour duquel les première et seconde bobines ( 32,36; 33,37) sont bobinées. 14 Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que le rapport des nombres de tours des premières et des secondes bobines ( 32,36; 33,37) de chacun desdits transformateurs ( 31,35) est un rapport qui provoque l'annulation d'une tension développée au moment de la commande. Appareil de commande à semi-conducteurs tel que revendiqué dans la revendication 1 caractérisé en ce que le rapport des nombre de tours des premières et secondes bobines de chacun des transformateurs est de 1 à 1.