Brevet FR2685147A1 — publié le 19930618

La presente invention concerne les circuits réduisant les pertes de commutation des interrupteurs de puissance L'homme de l'art connais de nombreux circuits d'aide à la commutation diminuant les pertes et le stress imposés aux interrupteurs de puissance par des charges tres selfiques pendant les phases de rupture et d'etablissement du courant. La rupture du courant est adoucie le plus souvent par un condensateur en série avec une diode, le tout mis en paallèle aux bornes du commutateur de façon à dériver le courant à l'ouverture du commutateur Le condensateur se re trouve charge la tension d'alimentation et la diode évite qu'il soit décharge brutalement lors de la fermeture suivante du commutateur. Cette decharge est effectuée lentement par une résistance mise en parallele sur le condensateur ou par un circuit plus sophistique récupérant son energie. L'établissement du courant est problematique quand le commutateur de puissance est en série avec une diode de puissance dite de roue libre offrant une voie de passage au courant pendant la phase d'ouverture du commutateur, si ce courant circule encore à la fermeture suivante. En effet, la diode de puissance ne recouvre pas instantanement son pouvoir de blocage et apparaîtra comme un court-circuit pendant une duree appelee temps de recouvrement inverse. Chaque fermeture occasionne alors dans le commutateur de puissance une surin- tensité que I 'on peut amoindrir en interposant entre le commutateur et la diode une inductance de protection, de préfé- rence saturable pour diminuer son energie stockee. Malheureusement cette inductance de protection se révèle gênante au moment de la rupture du courant puisqu'elle empoche provisoirement la diode de puissance d'accomplir sa fonction de roue libre. Cette fonction doit être assuree dans l'intérim par une autre diode, que l'on nommera diode "intérimaire", en série avec un geneateur de tension e. Plus e sera elevee, plus vite l'inductance de protection pourra se saturer et la diode de puissance tenir son rôle de roue libre. Le generateur e est classiquement réalise avec un dispositif écrêter de tension, par exemple une diode Zener en inverse, ou par un transformateur dont le secondaire est redresse sur une tension continue, pour que l'énergie soit recuperee. Ce montage n'est pas pleinement satisfaisant car le courant dans la diode inteimaire doit absolument Outre interrompu à la fermeture du commutateur de puissance pour ne pas générer là encore un problème de recouvrement inverse. Pour lteviterl la tension e est délibérément élevée, ce qui neces- site du commutateur de puissance une tenue supérieure en tension de claquage handicapant fortement son coût. Pourtant il est judicieux de réduire le temps de conduction de la diode intérimaire car celle-ci peut alors être de puissance très faible, de meme que le circuit produisant e. L'homme de l'art connais quelques circuits permettant de 'affranchir de ces inconvénients mais ils restent actuellement complexes, couteux et de bilan énergétique peu +avouable. C'est pourquoi l'invention a pour but de permettre une saturation rapide de l'inductance de protection sans nécessi- ter une tension e exagérée, tout en assurant un bilan énergétique favorable avec un montage peu complexe. Ce problème est résolu en fournissant à l'inductance de protection un canal permettant sa saturation rapide, tout en unifiant en un seul module simple les circuits de récupération d'énergie des phases de fermeture et d'ouverture. Les specifications du commutateur et de la diode de puissance deviennent beaucoup moins exigeantes, tandis que les composants annexes sont de puissance plus réduites. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description qui va suivre de certains de ses modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limistatifs, en référence aux dessins ci-annexés sur lesquels: - La figure t représente un circuit à découpage classique régulant un courant rentrant, présentant les amélioratisons voulues dans un module 10 encadré en pointillés. - La figure 2 représente un exemple d'oscillogramme releve en différents points de la figure 1. - La figure 3 montre qu'un circuit identique à celui de la figure 1, mais régulant un courant sortant, est réalisable de façon parfaitement symétrique. C)n peut reconnattre sur la figure i les différents éle- ments cités précédemment: le commutateur de puissance i est mis en parallèle avec la diode 3 et le condensateur 4 qui dé- rive le courant de sortie pendant l'ouverture du commutateur. La diode de puissance 2 est en série avec une inductance 5, de préférence saturable, limitant la surXtensité causée à la fermeture du commutateur 1 par la diode 2 en phase de recouvrement inverse. La diode intérimaire 6 et le générateur de tension 7 limitent la surtension aux bornes du commutateur de puissance 1 et permettent au courant de sortie de trouver une voie jusqu'à ce que l'inductance 5 soit saturée. La diode 8 permet d'éviter les oscillations de tension indésirables générées lorsque la diode 2 recouvre brutalement son pouvoir de coupure Un éventuel commutateur 9 permet à l'étage d'être bidirectionnel en courant, pour être associé à un étage de même type dans une structure dite en H. Le module 10 caractéristique de l'invention est encadré en pointillés à drague ouverture du commutateur 1, le condensateur 12 mis en sé- rie avec la diode 11 court-circuit brièvement à la masse le côté de l'inductanoe 5 relié à la diode de puissance 2, la diode 11 évitant que le condensateur 12 soit déchargé à la fermeture suivante du commutateur 1. La différence de potentiel aux bornes de l'inductanoe, accrue par la surtension crée par la diode intérimaire 6 et le générateur e, permet une croissance rapide de son courant, ce qui permet au courant de sortie de passer entièrement dans la diode de roue libre 2. Pour remplir convenablement son roee, le condensateur 12 doit etre de valeur importante, ce qui jusifie pleinement de récupérer son énergie stoOee. On utilise pour ce faire le circuit récupérateur d'énergie du condensateur 4, à peine complexifié. La diode 14 empêche toute possibilité de décharge du condensateur 4 dans le condensateur 12. L'énergie de ces deux condensateurs est transférée dans l'inductance 13 à deux enroulements en opposition quand le commutateur 15 se ferme, mettant son point milieu à la masse, puis est retransférée par récupération salique dans l'alimentation V quand le commutateur 15 est réouvert. ll est inutile d'attendre que les condensatueurs soient complètement déchargés, cette décharge pouvant se poursuivre pendant la récupération selfique. Les différentes phases opératoires sont représentées sur les chro- nogrammes de la figure 2: entre TO et Ti, le commutateur de puissance 1 s'ouvre. Son courant I1 peut s'interrompre très rapidement car la tenson a àses bornes évolue lentement gracie au condensateur 4 chargé par le courant de sortie et que la contre-réaction capacitive est faible. Au temps Ti cette tension, écrêtée par la diode 6 à la valeur V+e, s'applique pleinement aux bornes de l'inductance 5 et lui permet alors de se saturer assez rapidement, au temps T2. Le condensateur 12 se charge ensuite à un rythme croissant pour atteindre très vite au point d une tension égale à V au temps T3. Le peu de courant qui circulait encore dans la diode 6 s'annule bientôt et le potentiel du point a redescend à V. Entre T4 et T5 le courant du commutateur i croit assez lentement à un rythme limité par l'inductance 5 saturée. La tension au point a décroît, quant à elle, très vite, ce qui réduit les pertes d'établissement. Au temps T5 l'inductance 5 a une valeur maximale car son courant s'est annulé. Uassi, pendant la durée consécutive oh la diode n'a pas encore retrouvé son pouvoir de blocage, le courant inverse ne peut croître que lentement dans 1 'inductance, limitant la surintensité du commutateur 1. Puis la diode retrouve son pouvoir de coupure et la tension à ses bornes s'établit au temps T7. La diode 8 inhibe d'éventuelles oscillations. Le commutateur 15 peut entre fermé au temps T6, légèrement avant le recouvrement définitif de la diode 2, du moment que le potentiel au point b a déjà commencé à décroître, puis il peut tre coupé au temps T8, des que le potentiel des points c et d est en dessous de Y/2. Le courant total 113 dans les deux enroulements de l'inductance 13 s'élève puis redescend en forme de sinusofde tronquée entre T6, T8 et T9. Le rendement de la récupération de L'énergie des condensateurs 4 et 12 dépasse couramment 957., , même Si le commutateur 15 a une tension de saturation élevée. I1 est évident aux yeux de l'homme de l'art que le montage de la figure 1, régulant un courant entrant, peut être transposé symétriquement comme indiqué par la figure 3 pour réguler un courant sortant, les explications restant valides si ia masse est référencée au pôle positif de l'alimentation. L'invention s'applique aux circuits d'aide à la commutation d'interrupteurs de puissance, particulièrement des interrupteurs semi-conducteurs à haute fréquence. REVENDICATION Dispositif 10 réduisant les pertes de commutation d'un interrupteur de puissance 1 associé avec une diode de puissance 2 dite de roue libre dans un montage dont la masse est ré+érencée au pôle négatif ou au pôle positif du générateur de tension d'alimentation, suivant que ce montage contrôle un courant de sortie respectivement entrant ou sortant, ce dis positif ti f comprenant un circuit classique de réduction des pertes d'ouverture constitue d'une diode 3 en série avec un condensateur 4, le tout en parallèle sur le commutateur 1, et comprenant un circuit de réduction des pertes de fermeture constitue d'une inductance 5 éventuellement saturable interposée entre le commutateur I et la diode 2, d'une diode 6 et d'un générateur de tension 7 écrêtant la surtension aux bornes du commutateur à son ouverture, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'un condensateur 12, mis en série avec une diode 11 connectée entre la diode 2 et l'inductance 5, permet au moment de l'ouverture du commutateur 1 une montée rapide du courant dans l'inductance 5 en la court-circuitant brièvement à la masse, la diode 11 évitant que le condensateur 12 soit décharge à la fermeture suivante du commutateur 1, et caractérisé en ce qu'un unique module permet la récupé- ration de l'énergie des circuits d'aide à i de à l'ouverture et d'aide à la fermeture, ce module étant constitué principalement d'une inductance 13 à deux enroulements en opposition mise en série avec une diode 14, le tout étant interposé entre les condensateurs 4 et 12, la diode 14 étant connectée au condensateur 12 pour empêcher le condensateur 4 de se dé- charger dans le condensateur 12, d'un interrupteur 15 permettant la décharge des condensateurs 4 et 12 dans l'inductance 13 en mettant le point milieu de celle-ci à la masse et d'une diode 16 connectée au point milieu de l'inductance 13 permettant la récupération de l'énergie de celle-ci dans la tension d'alimentation.