Brevet FR2661573A1 — publié le 19911031

CIR(l IT DE COM'ANDE DE GRILLE PAR IMPULSION AVEC SECURITE DE CXOURT-CIRCUIT La présente invention conernee la cmrimande de transis- tors de puissance à ccmmande capacitive tels que les transistors MDS et les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). Plus particulièrement, la présente invention vise à réaliser une cammande permettant un isolement entre le circuit de cÉmarnde et le circuit de puissance, une brève impulsion pouvant entraîner la mise en conduction du transistor de puissance jusqu'à fourniture d'une brève impulsion de polarité opposée pour ouvrir oe transistor de puissance. Un objet de la présente invention est de prévoir un tel circuit qui soit particulièrement simple, qui puisse fonctionner à faible fréquence sans limitation de rapport cyclique et qui permette une carmtation rapide du transistor de puissance. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel circuit de commande comprenant un moyen d'interruption de la conduction du transistor de puissance en cas de court-circuit dans la charge. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel circuit de cemmande comprenant des moyens pour fournir vers la partie du circuit de ocxmande isolée du circuit de puissance une indication du fait qu'un court-circuit est survenu dans la charge. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un circuit de commande par impulsions d'un transistor de puissance à grille isolée comprenant une pre- mière borne, de grille, et une deuxième borne, de référence, un transistor MOS auxiliaire étant conneu té entre lesdites première et deuxième bornes, un secondaire de transformateur d'impulsions ayant des troisième et quatrième bornes étant relié aux première et deuxième bornes Ce circuit comprend une première diode onoectée entre les deuxième et quatrième bornes, et deux voies en parallèle à conduction unidirectionnelle comimandée, entre la quatrième borne et la grille du transistor auxiliaire, l'une de ces voies étant rendue passante quand une impulsion positive ou négative est appliquée sur le secondaire du transformateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacune desdites voies comprend respectivement une deuxième et une troisième diode en série avec un premier et un deuxième tran- sistor MOS, les deux diodes étant oennectées en anti-parallèle, les deux transistors MOS étant de canal de type de conductivité opposé, leurs grilles étant interoennectées et reliées à ladite troisième borne. Selon un aspect de la présente invention, il est prévu des moyens d'interruption de la conduction du transistor de puis- sance quand sa charge est en court-circuit, ces moyens comprenant un chemin en parallèle avec ladite première diode, oe chemin étant mis en conduction quand le courant dans le transistor de puissance dépasse une intensité prdétermiée ou que la chute de tension à l'état passant dans le transistor de puissance dépasse une valeur prédéterminée. Selon un aspect de la présente invention, il est prévu des tooyens d'inhibition de la mise en conduction dudit chemin pendant la charge de la grille du transistor de puissance. Selon un aspect de la présente invention, le primaire dudit transformateur est associé à un circuit de détection de passage d'une impulsion de décharge de capacité grille/électrode du transistor de puissance dans le seondlaire du transformateur par suite de la fermeture dudit chemin. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 et 2 représentent un mme mode de réali- sation de la présente invention, respectivement pendant l'appli- cation d'un ordre de fermeture et pendant l'application d'un ordre d'ouverture; la figure 3 représente un circuit identique à celui des figures 1 et 2, avec adjonction de moyens d'interruption de la conduction du transistor principal pendant un court-circuit; et la figure 4 représente un exemple de montage de circuit de commande associé au primaire d'un transformateur d'impulsions utilisé selon la présente invention. Les figures 1 et 2 représentent un mode de réalisation particulier de la présente invention De façon générale, la présente invention concerne la commxande en commutation d'un tran- sistor de puissance ou transistor principal Tp dont une première borne principale est reliée à une tension d'alimentation V et dont l'autre borne principale, ou borne de référence est reliée à une charge L, qui est couramment une charge inductive en paral- lèle sur une diode roue libre. Selon la présente invention, il est prévu des moyens pour mettre le transistor Tp en conduction quand une impulsion d'une première polarité arrive sur un enroulement secondaire W 2 d'un transformateur et pour ouvrir ce transistor principal Tp quand une impulsion d'une seconde polarité est appliquée sur l'enroulemaent W 2 Un transistor auxiliaire T 1 est connecté entre la grille et l'électrode de référence du transistor Tp L'état de conduction du transistor T 1 est omnmaindé pour être complémentaire de celui du transistor Tp Ainsi, quand le transistor Tp est ouvert, le transistor T 1 est fermé pour évacuer toute charge parasite susceptible d'apparaître sur la grille du transistor Tp et, quand le transistor Tp est passant, le transistor T 1 est ouvert pour éviter de décharger la grille du transistor Tp. En outre, la présente invention prévoit des moyens pour assurer une circulation unidirectionnelle du courant lors d'une opération de fermeture pour charger la grille du transistor Tp et décharger la grille du transistor T 1 et pour que ces grilles restent dans oet état jusqu'à l'apparition d'une impulsion de polarité opposée. L'hcrme de l'art pourra imaginer divers moyens pour assurer une telle transmission unidirectionnelle d'impulsions apparaissant sur le secondaire W 2 Un mode de réalisation parti- culier de ces moyens pour assurer des circulations unidirection- nelles de courant est illustré en figures 1 et 2 Il comprend une diode D connectée entre la borne de référenoe du transistor T 1 et la borne inférieure de l'enroulement secondaire W 2 En outre, cette borne inférieure de l'enroulement W 2 est reliée à la grille du transistor T 1 par deux voies en parallèle comprenant chacune une diode de polarité inverse de celle de la diode de l'autre voie, respectivement Dl et D 2 Chaque diode est en série avec un interrupteur, oes deux interrupteurs étant commandés en opposi- tion d'une façon qui sera exposée ci-après. Dans le mode de réalisation représenté, le transistor de puissance Tp est un transistor M O S à enrichissement à canal N, de même que le transistor auxiliaire T 1 Dans les deux voies en parallèle, le premier interrupteur commandé est un transistor MOS à canal P M 1 et le deuxième interrupteur commanndé est un transis- tor MOS à canal N M 2 Les grilles des transistors M 1 et M 2 sont interoennectées et reliées à la borne supérieure de l'enroulement secondaire W 2 La diode Dl est polarisée de façon à laisser passer un courant positif vers la grille du transistor T 1 La diode D 2 est polarisée en sens inverse La diode D est polarisée pour laisser passer un courant positif vers la borne inférieure de l'enroulement secondaire W 2. Dans le cadre du mode de réalisation particulier illus- tré en figure 1, un ordre de fermeture du transistor Tp corres- pond à l'application d'une impulsion positive sur l'enroulement secondaire W 2, de la fagon illustrée En présence de cette impul- sion, un ourant il circule de la borne supérieure à la borne inférieure de l'enroulement W 2 en passant par la capacité grille/souroe du transistor Tp et par la diode D Un ourant i 2 circule dans la capacité grille/source du transistor M 2 pour le rendre passant (simultanément, le transistor Ml est bloqué) En outre, un courant i 3 dont le cheinieoent est illustré seulement partiellement décharge la capacité grille/source du transistor auxiliaire Tl (le courant i 3 constitue une dérivation, passant par la diode D 2 et le transistor M 2 du courant il traversant la diode D). En outre, en raison de la prévision des diverses diodes illustrées, les transistors Tp et T 1 restent dans l'état qu'ils présentent à la fin de l'application de l'impulsion de commande. La figure 2 illustre l'application d'un ordre d'ouver- ture du transistor principal Tp Pour ouvrir le transistor Tp, une impulsion négative est appliquée sur l'enroulement W 2 Ainsi, un premier courant i 4 rend passant le transistor M 1 (simultanré- ment le transistor M 2 est bloqué) Dès que ce transistor Ml est passant, un courant i 5 peut s'écouler à partir de la borne infé- rieure de l'enroulement secondaire W 2 par le transistor MI, la diode Dl, la capacité grille/souroe du transistor Tl, la capacité grille/source du transistor Tp, vers la borne supérieure de l'enroulement secxodaire W 2 On obtient ainsi simultanément une charge de la grille du transistor T 1 et une décharge de la grille du transistor Tp, ce qui rend le transistor Tl passant et bloque le transistor Tp On notera, qu'une fois que le transistor Tl est rendu passant, la grille du transistor Tp peut terminer de se décharger directenment à travers le transistor Tl et 1 ' impédance représentée en série. Le circuit décrit constitue un exemple particulier de circuit de oeitinde par impulsion d'un transistor de puissance, illustré corne étant un transistor MOS à canal N mais pouvant également être un autre type de transistor MOS ou un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) Un avantage de oe circuit de oeiandxe par impulsion réside dans sa simplicité et dans le petit nxmbre de ompeosants qui le constituent De oe fait, on peut envisager de réaliser ce circuit sous forme intégrée sur la puce comprenant le transistor de puissance (seul l'enroulement seon- daire W 2 étant extérieur au circuit intégré). Un autre avantage du circuit décrit précédemment réside dans le fait qu'il peut être associé à un systêma de détection de mise en court-circuit de la charge, d'interruption de la conduc- tion du transistor de puissanae en cas de détection de court- circuit, et de signalisation de la présence d'un tel court- circuit On notera, ocane oela apparaîtra ci-après, qu'il convient de distinguer la fornction d'interruption de conduction lors d'un courtcircuit de la fonction de signalisation d'un tel court-circuit En effet, il existe des circuits permettant une interruption automatique en cas de court-circuit sans signali- sation de l'apparition d'une telle interruption Avec de tels circuits, si le transistor de puissance est destiné à fonctionner de façon cyclique, par exemple dans le cadre de montages en pont ou de circuits convertisseurs, à chaque cycle, un début de conduction sera suivi d'une interruption dans le cas d'un court- circuit dans la charge Il est alors souhaitable de signaler du côté du primaire du transformateur la présence d'un tel court- circuit pour arrêter la cemmande de façon à éviter des échauf- fements anormaux et à améliorer la durée de vie des composants de puissance. On retrouve en figure 3 les éléments de circuit déjà illustrés en figures 1 et 2, à savoir le transistor Tp, le tran- sistor auxiliaire T 1, la charge L, la diode D, la diode Dl et le transistor MDS à enrichissement à canal P M 1, la diode D 2 et le transistor MOS à enrichissement à canal N M 2, et l'enroulement seondaire W 2 On a rajouté à oe circuit une résistance rm de faible valeur, en série entre la charge et l'électrode de référence du transistor Tp La tension aux bornes de cette résis- tance rm comumade un interrupteur, réalisé dans le cas parti- culier illustré par un transistor MDS à enrichissement à canal N M 3, oe transistor étant disposé en série avec une diode D 3, oet ensemble étant en parallèle sur la diode D, les diodes D 3 et D étant en anti-parallèle On notera que, si le transistor M 3 est réalisé sous forme d'un transistor bipolaire, la prévision d'une diode D 3 est inutile, cette diode étant présente uniquement parce que, dans les technologies ouramnent utilisées pour réaliser un transistor MOS tel que le transistor M 3, il existe en parallèle sur ce transistor une diode (non représentée) de même polarité que la diode D mais, cette diode (non représentée) étant lente, on ne souhaite pas l'utiliser. Quand le courant dans la charge et la tension sur la résistanoe rm dépassent un seuil prédétermirné, le transistor M 3 devient con Educteur et la grille du transistor Tp se décharge par un trajet passant par l'enroulement secondaire W 2, la diode D 3 et l'interrupteur M 3, et la résistanoe rm Le transistor M 3 étant bloqué en l'absence de courtcircuit, le branrcement en parallèle de la diode D 3 et du transistor M 3 n'affecte pas le fonction- nement à l'ouverture et à la fermeture du circuit tel que décrit précédemment. Par ailleurs, la décharge de la grille du transistor de puissance Tp en cas de court-circuit n'intervient pas pendant la présenhe d'une impulsion de mise en conduction du transistor Tp, mais immédiatement après de telles impulsions De plus, il est prévu un circuit masquant la tension aux bornes de la résistance rm pendant la charge de la capacité de grille du transistor Tp. Dans le mode de réalisation représenté, ce circuit de masquage de la résistance r ocomprend un transistor M O S à canal N M 4 en série avec une résistance R 4 et une diode D 4, l'ensemble étant en parallèle sur la résistance rm La grille du transistor M 4 est reliée par un transistor M 5 à la borne supérieure de l'enrou- lement secondaire W 2 et par une résistance R 6 à la borne de référence des transistors T 1 et Tp La grille du transistor M 5 est reliée à la grille du transistor Tp et une impédaince R 5 est disposée entre grille et source du transistor MS Ainsi, dès qu'un courant de charge de la capacité de grille du transistor Tp circule de la borne supérieure de l'enroulement W 2 à la grille du transistor Tp, c'est-à-dire au cours d'un ordre de fermenture, une tension se développe sur la résistance R 5 et une tension négative se développe sur la grille du transistor à canal P M 5 qui devient passant et provoque le passage d'un courant dans la résistance R 6 et la conduction du transistor M 4 Il en résulte le masquage de la résistance rm pendant le passage dans le transistor Tp de pics de courant consécutifs au reoeuvrement des diodes de roue libre en parallèle sur la charge lors de la fermeture du transistor Tp Dès que la charge de la capacité de grille du transistor Tp est termirée, les transistors M 5 et M 4 se bloquent, et la tension aux bornes de la résistance rm est susceptible de commander le transistor M 3 de la façon décrite précédement pour provoquer la décharge de la grille du transistor Tp. En outre, on a représenté sur la figure divers éléments accessoires destinés à favoriser le bon fonctionnement du circuit Parmi ces éléments, on pourra noter une diode zener Z 1 entre grille et source du transistor T 1 Cette diode zener Zl est essentiellement destinée à éviter d'appliquer des tensions trop élevées sur cette grille au début des impulsions d'ouver- ture En parallèle entre la grille et la source du transistor M 3 on trouve un condensateur C 3 et une résistance R 3 L'ensemble du condensateur C 3, de la résistance R 3 et de la diode D 4 est destiné à assurer la présence d'une constante de temps pour laisser le transistor M O S M 3 fermé suffisamment longtemps après détection d'une surtension pour décharger complètement le tran- sistor Tp Une diode D 5 est en parallèle sur la résistance R 5 pour réduire 1 'impédance du trajet de décharge de la grille du transistor Tp. Ainsi, le circuit de la figure 3 permet de détecter grâce à la résistance rm l'apparition d'un court-circuit dans la charge, et de décharger la capacité de grille du transistor Tp à travers la diode D 3, l'interrupteur M 3 et le secondaire W 2 dès qu'une surtension se manifeste Cette décharge de la capacité de grille du transistor Tp se traduit par le passage d'une impulsion de courant rnégative dans l'enroulement secondaire W 2 Si l'on détecte au primaire oette impulsion négative, on obtiendra une indication du fait qu'un court-circuit s'est produit et l'on pourra ainsi actionner une alarme, cesser d'envoyer des ordres de fermeture et confirmer l'état ouvert par un ordre d'ouverture. Un autre circuit habituel de détection de court-circuit pourra être utilisé pour commnander M 3 Ce circuit surveille la tension sur le collecteur de Tp au lieu de surveiller le courant dans rm En cas de courtcircuit, la tension collecteur/émetteur de Tp est anormalement élevée, et peut être utilisée par tout moyen connu de l'homme de l'art pour actionner la grille de M 3 à la fin de l'impulsion de fermeture, et provoquer la décharge de Tp dans W 2, permettant d'actionner le circuit d'alarme. La figure 4 représente un exemple de circuit de crînarnde de l'enroulement primaire W 1 associé à l'enroulement W 2 précédemment mentionné, ce circuit permettant en outre de détecter l'apparition d'une impulsion de courant négative sur l'enroulement W 2 alors que le transistor Tp est normalement dans l'état passant, cette impulsion de courant se traduisant par une impulsion négative corres ante sur l'enroulement W 1. Le circuit de commande de l'enroulement primaire W 1 illustré en figure 4 est un montage en pont omeprenant quatre branches 11 à 14 comprenant chacune un interrupteur en parallèle avec une diode de retour Une première diagonale du pont est reliée entre une alimentation vo C et la masse GND L'enroulement primaire W 1 est placé sur la deuxième diagonale du pont Avec les notations de la figure, une impulsion d'une première polarité, résultant de la mise à l'état passant des interrupteurs 12 et 13 correspond à une impulsion de fermeture, et une impulsion d'une deuxième polarité résultant de la fermeture des interrupteurs 11 et 14 correspond à la fourniture d'une impulsion d'ouverture En ce cas, pendant que l'on est dans l'état de fermeture, après la fourniture de l'impulsion de premiere polarité, les interrupteurs 13 et 14 doivent être passants, les interrupteurs 11 et 12 étant bloqués C'est dans cet état que l'on veut détecter l'éventuelle apparition d'une impulsion nrgative sur l'enroulement W 1, résul- tant d'un court-circuit dans la charge et de la décharge de la grille du transistor Tp Pour oela, on dispose une inpedance 15 constituée par exemple de deux diodes en anti-parallèle dans la branche du pont comprenant le cormmutateur 13 On pourra alors facilement déterminer par des moyens classiques l'apparition d'une tension de polarité détermine, corresponxdant à ladite impulsion négative sur l'enroulement W 1, apparaissant sur 1 ' impé- danoe 15 Cette détection pourra être utilisée pour commaider une alarme et confirmer l'état ouvert du commutateur de puissance. L'homme de l'art pourra imaginer diverses variantes de réalisation des circuits selon la présente invention, l'essentiel étant que les fonctions indiquées pour chacun de ces circuits soient satisfaites. Dans les revendications ci-après le verbe "relier" est utilisé pour désigner une connexion entre deux composants avec interposition éventuelle d'autres composants et le verbe "connerter" pour désigner une connexion qui peut être directe. il REVENDICATIONS 1 Circuit de ommandnae par impulsions d'un transistor de puissance à grille isolée (Tp) cxmprenant une première borne, de grille, et une deuxième borne, de référence, un transistor MJS auxiliaire (T 1) étant connecté entre lesdites première et deu- xième bornes et un seoexnaire de transformateur d'impulsions (W 2) ayant des troisième et quatrième bornes étant relié aux première et deuxième bornes, caractérisé en oe qu'il comprend en outre: une première diode (D) connecte entre les deuxième et quatrième bornes, et deux voies en parallèle à conduction unidirectionnelle commandée (D 1, M 1; D 2, M 2), entre la quatrième borne et la grille du transistor auxiliaire, ces voies étant alternativement rendues passantes quand une imtpulsion positive ou négative est appliquée sur le secondaire du transformateur. 2 Circuit de commaade selon la revendication 1, carac- térisé en ce que chacune desdites voies comprernd respectivement une deuxième et une troisième diode (D 1, D 2) en série avec un premier et un deuxième transistor MDS (M 1, M 2), les deux diodes étant connectées en anti-parallèle, les deux transistors MOS étant de canal de type de conductivité opposé, leurs grilles étant interconnectées et reliées à ladite troisième borne. 3 Circuit de commande selon la revendication 1, comprenant en outre des moyens d'interruption de la conduction du transistor de puissance quand sa charge est en court-circuit, caractérisé en oe que lesdits moyens d'interruption comprennent un chemin (D 3, M 43) en parallèle avec ladite première diode (D), ce chemin étant mis en conduction quand le courant dans le transistor de puissance dépasse une intensité prédétermmiée ou que la chute de tension à l'état passant dans le transistor de puissarnce dépasse une valeur prédéterminée. 4 Circuit de commande selon la revendication 3, carac- térisé en ce que ledit chemin comprend une quatrième diode (D 3) têtebêche par rapport à la première diode (D), et un troisième transistor MOS (M 3) dont la grille est connectée à l'électrode de référenoe du transistor de puissance, cette électrode de réfé- renoe étant connectée à ladite deuxième borne par l'intermédiaire d'une résistance de mesure (rm). Circuit de carmeandae selon la revendication 3, carac- térisé en oe qu'il comprend des moyens (M 4, M 5, R 5, R 6) d'inhi- bition de la mise en conduction dudit chemin pendant la charge de la capacité de grille du transistor de puissance. 6 Circuit de commande selon la revendication 5, carac- térisé en ce que les moyens d'inhibition comprennent un quatrième et un cinquième transistors MOS, le quatrième transistor M 05 (M 4) étant connecté aux bornes de la résistance de mesure par l'inter- médiaire d'une autre résistan e (R 4), le cinquième transistor MOS (M 5) étant connecté entre la grille du quatrième transistor M 05 et ladite troisième borne, la grille du cinquième transistor MOS étant connectée à la première borne et une imnpédaxe étant connectée entre les première et troisième bornes. 7 Circuit de commande selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le primaire dudit transformateur est associé à un circuit de détection de passage d'une impulsion de décharge de capacité grille/électrode du transistor de puissance dans le secondaire du transformateur par suite de la fermeture dudit chemin. 8 Circuit de commande selon la revendication 7, carac- térisé en ce que le primaire du transformateur est alimenté par un montage en pont, ledit circuit de détection étant associé à une branche du pont qui est à l'état passant après que le tran- sistor de puissanoe a été commandé par une impulsion pour être à 1 'état passant.