Brevet FR2661053A1 — publié le 19911018

Procédé de commande d'un dispositif de protection thermique d'un transistor de puissance, et système de mise en oeuvre du procédé. La présente invention concerne un procédé de commande d'un dispositif de protection thermique d'un transistor de puissance, ainsi qu'un système de mise en oeuvre du procédé appliqué en particulier à un contrôleur électronique de puissance incluant au moins un transistor à effet de champ de type MOS. Parmi les problèmes rencontrés avec un transistor de puissance, celui posé par la dissipation thermique est plus ou moins critique selon les conditions de fonctionnement auxquelles il est soumis et/ou les contraintes thermiques des applications dans lesquelles il est utilisé. On est donc tout naturellement conduit à prévoir des dispositifs de protection thermique pour éviter leur endommagement ou limiter leur dissipation à une valeur maximale prédéterminée, dispositifs qui ne peuvent être conçus qu'à partir de la connaissance des températures du transistor dans les conditions réelles de son fonctionnement. Or, dans le cas d'un transistor de puissance, en particulier pour un transistor à effet de champ de type MOS, il est impossible de mesurer directement sa température de fonctionnement pour la simple raison que sa zone de dissipation thermique n'est pas physiquement accessible. Différents systèmes ont donc été mis au point pour apporter une solution à ce problème. Selon certains systèmes, la solution envisagée est de simuler l'état thermique du transistor et de calculer sa température de fonctionnement de manière indirecte au moyen d'un calculateur analogique qui prend en compte au moins deux paramètres principaux - une température de référence donnée par un capteur thermique (sonde de température) placé à proximité du transistor, - et la puissance instantanée dissipée par le transistor. A partir de l'analogie possible entre des paramètres thermiques et électriques, on simule - le chemin thermique entre la jonction du transistor et le capteur thermique par un réseau électrique, - la puissance dissipée par une source de courant, - et la température par une tension électrique. Un tel modèle thermique permet de mesurer de façon analogique la température de la jonction du transistor et de calculer ensuite la valeur réelle de cette température avant de la comparer à une température de référence pour décider ou non du blocage du transistor. Un tel système de mesure n'est pas sans présenter des inconvénients - les dimensions du réseau électrique sont très étroitement dépendantes du fabricant de transistors, notamment selon la technique utilisée pour le montage du circuit intégré du transistor (par soudage, par collage, par un montage hybride, ...), - le principe de simuler la puissance dissipée par une source de courant, d'appliquer ce courant à un réseau électrique, de mesurer la tension du réseau et d'en déduire la valeur de la température de jonction du transistor est d'une mise en oeuvre pour le moins complexe et délicate. Un tel système a fait l'objet d'un perfectionnement notamment décrit dans le document FR-2 581 807 qui prévoit l'utilisation d'un dispositif d'initialisation permettant à l'instant de mise sous tension ou de remise sous tension de positionner l'état du modèle thermique en un point de fonctionnement représentatif de la température réelle de l'objet à protéger. Selon d'autres systèmes conçus plus particulièrement pour la protection thermique de contrôleurs de puissance linéaires utilisant des transistors à effet de champ de type MOS, la solution est basée sur le temps pendant lequel le contrôleur peut être maintenu en régime de fonctionnement en limitation de courant. Il est alors nécessaire de définir dans ce cas deux paramètres : la valeur de limitation du courant et la durée de la temporisation. Ces autres systèmes, également évoqués dans le document précité, bien que de conception simple et facile à mettre en oeuvre, présentent également des inconvénients. En effet, lorsque le transistor à effet de champ est en régime de fonctionnement en limitation de courant dans un circuit d al d'alimentation en tension continue par exemple, et en supposant que le blocage du transistor n'intervient que dans la condition de dissipation maximale la plus défavorable, il n'est pas prévu des moyens pour modifier la temporisation dans le but d'abaisseur le niveau de limitation du courant. Ces moyens pourraient être par exemple une commande analogique ou une résistance externe fixe. Autrement dit, ces systèmes de protection thermique ne présentent aucune souplesse d'utilisation.En outre, de tels systèmes à temporisation ne prennent pas en compte les caractéristiques propres de chaque transistor qui peuvent varier d'un constructeur à l'autre, notamment suivant la technique de fabrication utilisée. D'une manière générale, on est amené à utiliser de plus en plus des contrôleurs électroniques de puissance à l'état solide, c'est-à-dire utilisant des semi-conducteurs de puissance tels des transistors à effet de champ de type MOS en particulier, ces contrôleurs étant avantageusement utilisés dans des réseaux d'alimentation en tension continue. Tous les inconvénients des systèmes évoqués précédemment prennent notamment toute leur importance dans certaines applications, en particulier dans le domaine spatial (programmes HERMES et COLUMBUS), où l'on prévoit d'utiliser de tels contrôleurs pour des réseaux d'alimentation à tension continue dont la valeur est fixée à 120 volts et avec une limitation en température de jonction fixée à 115"C. Jusqu'à maintenant, il était prévu d'utiliser les systèmes de protection semblables aux seconds systèmes évoqués précédemment, mais il s'avère qu'ils ne sont pas suffisamment performants pour les raisons déjà explicitées. Dans ces conditions, la demanderesse a étudié un nouveau système de protection thermique basé sur le fait que la tension grille-source d'un transistor à effet de champ de type MOS varie en fonction de la température. Des tests réalisés sur ce type de transistor ont d'ailleurs fait l'objet d'une publication dans le recueil de conférence "ESA SP-294, Août 1989". Sachant en outre que c'est principalement en régime de fonctionnement en limitation de courant que le transistor dissipe de la puissance, on peut donc utiliser les variations de la tension grille-source du transistor en fonction de la température comme moyen de détection directe de température et ainsi contrôler efficacement sa dissipation thermique sans être soumis aux inconvénients des systèmes antérieurs précédemment décrits. L'invention propose donc un procédé de commande d'un dispositif de protection thermique d'un semi-conducteur de puissance, en particulier d'un transistor à effet de champ de type MOS, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer la tension grille-source du transistor lorsqu'il est en régime de fonctionnement en limitation de courant, ladite tension variant en fonction de la température, à la comparer à une tension de référence correspondant à une température donnée, et à commander le blocage du transistor lorsque la tension grille-source est supérieure à la tension de référence. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste également à régler automatiquement la résistance continue présentée par le transistor à une valeur déterminée, lorsque ce dernier est en dehors de son régime de fonctionnement en limitation de courant. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste à prédéterminer la valeur limite du courant débité par le transistor lors de son fonctionnement en régime de limitation de courant, et à comparer en permanence cette valeur limite avec la valeur du courant réellement débité par le transistor pour détecter le moment à partir duquel il se trouve en régime de fonctionnement en limitation de courant. L'invention propose également un système de commande d'un dispositif de protection thermique d'un transistor de puissance, en particulier d'un transistor à effet de champ de type MOS constituant l'un des éléments d'un contrôleur électronique de puissance par exemple, pour la mise en oeuvre du procédé précité et qui est caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de détection du passage du transistor en régime de fonctionnement en limitation de courant, une unité de commande pilotée par le dispositif de détection et qui délivre en sortie une tension qui est fonction de la tension grille-source du transistor lorsque celui-ci est en régime de fonctionnement en limitation de courant, un dispositif amplificateur qui amplifie la tension de sortie de l'unité d'échantillonnage et de maintien, et un circuit comparateur pour comparer la tension délivrée par l'amplificateur à une tension de référence en fonction d'une température déterminée et pour commander le blocage du transistor lorsque la tension délivrée par l'amplificateur est supérieure à la tension de référence. Selon une autre caractéristique du système conforme à l'invention, le drain et la source du transistor sont respectivement reliés à deux points formant une branche d'un pont de WHEATSTONE, les autres branches comprenant chacune une résistance et la diagonale du pont comprenant un dispositif de réglage de la résistance en continu présentée par le transistor à une valeur fixe, en particulier lorsque le transistor est en dehors de son régime de fonctionnement en limitation de courant. Le procédé et le système de protection thermique selon l'invention présentent de nombreux avantages parmi lesquels il faut citer - la température de jonction du transistor est toujours égale à la température de départ du régime en fonctionnement en limitation de courant, étant donné que la puissance dissipée en dehors de ce régime de fonctionnement est faible, ce qui permet notamment d'éviter l'utilisation d'un dispositif d'initialisation tel que prévu dans le document antérieur précité, - seule la valeur de limitation de courant est à déterminer entre une valeur minimum et une valeur maximum, le temps pendant lequel le transistor est à l'état passant en régime de fonctionnement en limitation de courant se règle automatiquement en fonction de la valeur du courant choisi et des conditions de fonctionnement, c'est-à-dire qu'il est notamment indépendant des différences possibles entre des transistors provenant de fournisseurs différents. D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention ressortiront de la description explicative qui va suivre faite en référence au dessin annexé donné à titre d'exemple et qui illustre le principe de l'invention appliqué à un contrôleur électronique de puissance incluant un transistor à effet de champ de type MOS. Le transistor T à effet de champ de type MOS est intercalé entre une source d'alimentation continue V et un circuit d'utilisation UC. Le drain du transistor T est relié à un point A (côté source d'alimentation) et sa source est reliée à un point intermédiaire C pour former la première branche d'un pont de WHEATSTONE W. Une résistance Rs est montée entre le point C et un point B (côté circuit d'utilisation UC) pour former la seconde branche du pont W. Deux résistances R1 et R2 sont montées entre le point A et un point intermédiaire D, et entre les points B et D pour former les deux autres branches du pont W, respectivement. Un amplificateur opérationnel Al est inséré dans la diagonale DC du pont W, ses deux bornes d'entrée étant respectivement reliées aux points D et C, alors que sa borne de sortie est reliée par une diode D1 à la grille du transistor T. Un amplificateur opérationnel A2 a ses deux bornes d'entrée reliées aux points B et C du pont W, respectivement. Une source de tension de référence Vrefl est intercalée dans la liaison entre la borne d'entrée de l'amplificateur opérationnel A2 et le point B du pont W. La sortie de l'amplificateur opérationnel A2 est reliée par une diode D2 à la grille du transistor T. Un amplificateur opérationnel A3 a ses deux bornes d'entrée respectivement reliées à l'anode et à la cathode de la diode D2, et sa borne de sortie est reliée à une première de quatre bornes d'entrée d'une unité de commande 20 telle qu'un circuit échantillonneur-bloqueur, connu en soi et disponible sur le marché. La deuxième borne d'entrée de l'unité 20 est reliée par un condensateur CH, au point B du pont W, sa troisième borne d'entrée est reliée à la borne de sortie du circuit 20 et sa quatrième borne d'entrée est reliée d'une part, à la grille du transistor T et, d'autre part à une borne d'entrée d'un amplificateur A4 par une résistance R4. L'autre borne d'entrée de l'amplificateur A4 est reliée à la borne de sortie de l'unité 20, le gain de l'amplificateur étant réglé par une résistance R5 montée entre sa borne de sortie et ladite autre borne d'entrée. Enfin, la borne de sortie de l'amplificateur A4 est reliée à une borne d'entrée d'un circuit comparateur C1 dont l'autre borne d'entrée est reliée à une tension de référence Vref2. La borne de sortie du comparateur C1 est reliée à la grille du transistor T par une diode D3. On va maintenant décrire le fonctionnement du schéma de principe illustré sur le dessin en envisageant son application à un contrôleur électronique de puissance dont la fonction est de connecter ou de déconnecter la source d'alimentation V et le circuit d d'utilisation UC constituant la charge. En fonctionnement normal du transistor T, c'est-à-dire lorsqu'il n'est pas en régime de fonctionnement en limitation de courant, la résistance continue présentée par le transistor est réglée à une valeur constante prédéterminée, sachant que la résistance présentée par un transistor peut varier d'un constructeur à l'autre. Cette fonction de réglage de la résistance continue présentée par le transistor T est assurée par l'amplificateur opérationnel Al placé dans la diagonale du pont W. Lorsque le pont est équilibré, les tensions présentes aux points C et D sont égales. Aussi, tout déséquilibre du pont amène l'amplificateur Al à réagir par une commande en courant sur la grille du transistor afin de rétablir l'équilibre du pont W. L'amplificateur A2 qui détecte le passage en régime de fonctionnement en limitation de courant n'a pas encore réagi et il délivre en sortie un niveau de tension "haut" (diode D2 bloquée). Le sens de variation aux bornes d'entrée de l'amplificateur A3 est tel que celui-ci délivre un niveau de tension "bas" qui maintient l'unité 20 en mode de fonctionnement 11échantillonnage11, c'est à dire que cette unité 20 se comporte comme un amplificateur opérationnel de gain unité n'ayant aucune action en sortie. Pendant ce régime de fonctionnement normal, le transistor ne dissipe que peu de puissance. Le passage du transistor T en régime de fonctionnement en limitation de courant est déterminé par l'amplificateur A2 qui compare en permanence le courant débité par le transistor T et le courant déterminé par la tension de référence Vrefl qui correspond au courant imposé en régime de fonctionnement en limitation de courant. Plus précisément, lorsque le courant débité par le transistor T atteint la valeur de courant imposée, comprise entre une valeur minimum et une valeur maximum, l'amplificateur A2 détecte le passage du transistor en régime de fonctionnement en limitation de courant et réagit en délivrant en sortie un niveau de tension "bas", (la diode D2 est alors rendue conductrice). Le sens de variation des tensions aux bornes d'entrée de l'amplificateur A3 provoque sa réaction avec en sortie un niveau de tension "haut" appliqué à la première entrée de l'unité 20 qui passe alors en mode de fonctionnement "blocage". Dans ces conditions, la deuxième borne d'entrée de l'unité 20 reçoit la tension grille-source du transistor T plus la chute de tension aux bornes de la résistance Rs, sachant que les variations de la tension grille-source vont évoluer à partir de 0 volt d'une manière proportionnelle à l'augmentation de la température de jonction du transistor T. Le signal correspondant à la tension aux bornes de la résistance Rs plus les variations de la tension grille-source est transmis à la borne de sortie de l'unité 20, est amplifié par l'amplificateur A4 et est transmis au comparateur C1 qui compare ce signal à celui représentatif d'une température limite de fonctionnement à déterminer à partir de la tension de référence Vref2. En cas de dépassement de cette température, le transistor T est à l'état bloqué et le circuit d'utilisation UC n'est plus alimenté. A partir du schéma de principe tel que décrit précédemment, il est possible de mettre en oeuvre différents modes de réalisation sans sortir du cadre de 1 ' invention. Bien entendu, l'application envisagée pour un contrôleur de puissance électronique n'est pas limitative, l'invention pouvant être utilisable pour assurer une protection thermique dans toute autre application où des contraintes en température sont imposées. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un dispositif de protection thermique d'un semi-conducteur de puissance, en particulier d'un transistor à effet de champ de type MOS, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer la tension grille-source du transistor lorsqu'il est en régime de fonctionnement en limitation de courant, ladite tension variant en fonction de la température, à la comparer à une tension de référence correspondant à une température donnée, et à commander le blocage du transistor lorsque la tension grille-source est supérieure à la tension de référence. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à régler automatiquement la résistance continue présentée par le transistor à une valeur déterminée, lorsque ce dernier est en dehors de son régime de fonctionnement en limitation de courant. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac-térisé en ce qu'il consiste à prédéterminer la valeur limite du courant débité par le transistor lors de son fonctionnement en régime de limitation de courant, et à comparer en permanence cette valeur limite avec la valeur du courant réellement débité par le transistor pour détecter le moment à partir duquel il se trouve en régime de fonctionnement en limitation de courant. 4. Système de commande d'un dispositif de protection thermique d'un transistor de puissance, en particulier d'un transistor à effet de champ de type MOS constituant l'un des éléments d'un contrôleur électronique de puissance, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 3, et qui se caractérise en ce qu'il comprend un dispositif de détection (A2) du passage du transistor en régime de fonctionnement en limitation de courant, une unité de commande (20) pilotée par le dispositif de détection (A2) pour délivrer en sortie une tension fonction de la tension grille-source du transistor (T) lorsque celui-ci est en régime de fonctionnement en limitation de courant, un amplificateur (A4) qui amplifie la tension de sortie de l'unité (20), et un circuit comparateur (C1) pour comparer la tension délivrée par l'amplificateur (A4) à une tension de référence (Vref2) fonction de la température maximum souhaitée et commander le blocage du transistor (T) lorsque la tension délivrée par l'amplificateur (A4) est supérieure à la tension de référence. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le drain et la source du transistor (T) sont respectivement reliés à deux points formant une branche (AC) d'un pont de Wheatstone (W) dont les autres branches (CB, AD, DB) sont constituées respectivement par des résistances (Rs, R1, R2), la diagonale (CD) du pont (W) comprenant un dispositif (A1) pour régler la résistance continue du transistor (T) à une valeur constante. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif (Al) est un amplificateur opérationnel dont les deux bornes d'entrée sont reliées aux points (D, C) du pont (W) et dont la borne de sortie est reliée à la grille du transistor (T). 7. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de détection du passage du transistor (T) en régime de fonctionnement en limitation de courant est constitué par un amplificateur opérationnel (A2) dont les deux bornes d'entrée sont reliées aux points (B, C) du pont (W), avec une tension de référence (Vrefl) intercalée entre le point (B) et la borne d'entrée associée de l'amplificateur (A2). 8. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'unité de commande (20) est un circuit échantillonneur-bloqueur qui fonctionne en mode "blocage" lorsque le transistor (T) est en régime de fonctionnement en limitation de courant.