Brevet FR2680925A1 — publié le 19930305

INTERRUPTEUR STATIQUE À FAIBLES PERTES La présente invention concerne le domaine des inter- rupteurs statiques et plus particulièrement des interrupteurs statiques à faibles pertes. Les interrupteurs statiques couramment utilisés comprennent les transistors bipolaires, les transistors MOS de puissanoe et les transistors IGBT (du terme anglo-saxon signi- fiant "transistor bipolaire à grille isolée"). Il est généralement admis que c'est le transistor bipolaire fonctionnant en régime de saturation qui présente les plus faibles pertes à l'état passant En effet, un transistor MOS présente à l'état passant les caractéristiques d'une résis- tance entre le drain et la source Par conséquent, les pertes de puissance entre drain et source sont proportionnelles au carré du courant de drain et deviennent importantes pour des forts15 courants Par contre un transistor bipolaire saturé, c'est-à- dire dont le courant de base est supérieur au courant de collec- teur divisé par le gain du transistor, présente une chute de tension (Vce) entre collecteur et émetteur pratiquement constan- te et de valeur faible (de l'ordre de 0,3 V à 0,5 V) De même les transistors IGBT présentent une chute de tension Vce entre collecteur et émetteur pratiquement constante mais plus élevée que celle d'un transistor bipolaire (de l'ordre du volt). Toutefois, les transistors bipolaires capables de véhiculer des courants importants ont généralement un faible gain et nécessitent un important courant de base pour devenir saturés Ainsi, l'avantage de la faible dissipation de puissance entre collecteur et émetteur est contrebalancé par l'inconvé- nient de pertes de puissance non négligeables dans le circuit de commande de la base Par contre la commande des transistors de type IGBT ou MOS se fait sur une grille capacitive et la puis- sance nécessaire à leur commande est négligeable. Si l'on prévoit un transistor bipolaire pour qu'il puisse commuter un courant maximal déterminé, son circuit de commande de base sera dimensionné pour fournir un courant satu- rant le transistor lorsqu'il est traversé par ce courant maxi- mal Comme on l'a mentionné précédemment, ce courant de base est relativement important et il continue généralement à être fourni au transistor quand le courant à commuter devient faible Ainsi, la puissance nécessaire à la commande du transistor lorsqu'il est traversé par un courant plus faible que prévu est inutile- ment grande et le rendement du transistor devient mauvais. Un objet de la présente invention est de réaliser un interrupteur statique présentant des pertes à l'état passant aussi faibles que possible sur une grande plage de courants. La présente invention vise plus particulièrement un interrupteur statique susceptible de fonctionner pour la commu- tation de courants situés dans une première plage étendue de valeurs et susceptible en outre de fonctionner occasionellement au delà de cette plage. Cet objet est atteint grâce à un interrupteur stati- que comprenant au moins un transistor bipolaire dont la base est commandée à travers un amplificateur par un signal de commande; un capteur du courant traversant l'interrupteur; au moins un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) connecté en paral- lèle sur ledit au moins un transistor bipolaire, dont la grille est commandée par ledit signal de commande; et des moyens pour couper la commande de la base dudit au moins un transistor bipo- laire lorsque le courant traversant l'interrupteur est inférieur à une valeur prédéterminée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits moyens sont pilotés par un comparateur du courant tra- versant l'interrupteur à ladite valeur prédéterminée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit amplificateur est prévu pour fournir un courant de base au transistor bipolaire adapté à le mettre en régime de saturation jusqu'à un courant maximal déterminé et en ce que ladite valeur prédéterminée est choisie égale au courant pour lequel la puis- sance dissipée par le transistor bipolaire est égale à la puis- sance dissipée par le transistor IGBT. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'interrupteur statique comprend un deuxième comparateur compa- rant le courant traversant l'interrupteur à une deuxième valeur prédéterminée, associé à des moyens coupant la commande desdits transistors si le courant est supérieur à la deuxième valeur prédéterminée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'interrupteur statique comprend un troisième comparateur compa- rant le courant traversant l'interrupteur à une troisième valeur prédéterminée, associé à des moyens coupant la commande desdits transistors lorsque le courant reste supérieur à la troisième valeur prédéterminée pendant une durée plus longue qu'une durée prédéterminé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des moyens sont prévus pour mémoriser le nombre de coupures consécutives de la commande desdits transistors et pour couper définitivement leur commande si ce nombre est supérieur à un nombre prédéterminé. 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 particu- liers faite en relation avec les figures jointes parmi les- quelles: la figure 1 illustre des diagrammes de puissance perdue en fonction des courants commutés pour différents types d'interrupteurs statiques; la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un interrupteur statique selon la présente invention; la figure 3 illustre l'interrupteur statique de la figure 2 associé à des circuits de protection; et la figure 4 illustre un mode de réalisation d'un dispositif de mémorisation utilisé dans les circuits de protec- tion de la figure 3. La présente invention se base sur une analyse des pertes de divers types d'interrupteurs statiques dans divers régimes de fonctionnement. La figure 1 illustre les allures de la puissance perdue par un transistor bipolaire et par un transistor IGBT en fonction du courant I commuté Cette puissance perdue P est la somme de la puissance dissipée entre les bornes principales du transistor et de la puissance de commande du transistor. La courbe 1 correspond à un transistor bipolaire prévu pour être saturé en dessous d'un courant maximal Il Pour des courants I variant entre O et Il, la puissance P croît réguliè- rement à partir d'une valeur initiale Plo Cette valeur P 10 correspond sensiblement à la puissance du circuit de commande de base prévu pour saturer le transistor bipolaire quand il est traversé par le courant Il Si le courant I croît au-delà de Il, la puissance P croît très rapidement Ceci est dû au fait que le transistor bipolaire rentre dans un régime de fonctionnement linéaire o sa tension collecteur-émetteur Vce se met à croître. La courbe 2, illustre la puissance dissipée par un transistor bipolaire dont le circuit de commande de base est prévu pour obtenir un régime de saturation jusqu'à un courant maximal I 2 supérieur à Il La puissance dissipée par le circuit de commande a une valeur P 20 Cette courbe est obtenue à partir de la précédente par translation vers le haut de la quantité P 20-Plo et vers la droite de la quantité I 2-I 1. La courbe 3, correspondant à un transistor IGBT, ne dépend pas du courant maximal que l'on veut commuter pourvu qu'une tension suffisamment élevée soit appliquée à sa grille. La puissance P croît régulièrement à partir d'une puissance faible P 30 qui est la puissance dissipée pour alimenter le circuit de commande. En analysant les courbes de la figure 1, la deman- deresse a constaté que, quel que soit le courant maximal à com- muter, le transistor bipolaire présente les plus faibles pertes pour des courants compris entre un courant de transition It et ce courant maximal Par contre, le transistor IGBT est plus avantageux pour des courants I inférieurs à It La demanderesse en a déduit qu'il serait intéressant, pour un courant maximal Il choisi, de concevoir un interrupteur statique ayant les carac- téristiques d'un transistor IGBT pour des courants à commuter inférieurs à It, et d'un transistor bipolaire pour des courants supérieurs à It. La figure 2 représente un mode de réalisation d'un interrupteur selon la présente invention ayant ces caractéristi- ques L'interrupteur comprend un transistor bipolaire Tl et un transistor IGBT T 2 montés en parallèle Les collecteurs des transistors T 2 et Tl sont reliés à une borne A destinée à être reliée à un potentiel haut (ou à une borne d'une charge dont l'autre borne est reliée à un potentiel haut) Les émetteurs des transistors Tl et T 2 sont reliés à une borne B par l'intermé- diaire d'un dispositif de contrôle du courant 10 La borne B est destinée à être reliée à un potentiel bas (ou à une borne d'une charge dont l'autre borne est reliée à un potentiel bas) La grille du transistor T 2 est reliée à une borne C sur laquelle est appliquée une tension de commande de l'interrupteur statique La borne C est également reliée à la base du tran- sistor Tl à travers un interrupteur électronique S et un ampli- ficateur de courant 12 L'amplificateur 12, lorque la tension de commande est présente à son entrée, fournit un courant de base au transistor Tl saturant celui-ci pour des courants atteignant une valeur maximale choisie Il L'interrupteur S est commandé par le dispositif de contrôle 10 qui détermine si le courant I circulant entre les bornes A et B est supérieur à un courant prédéterminé I ajusté à une valeur voisine de la valeur It mentionnée en relation avec la figure 1. Le fonctionnement de cet interrupteur statique est le suivant Dés que l'on applique une tension de commande sur la borne C, le transistor IGBT T 2 devient conducteur Si le courant I s'établit à une valeur inférieure à Io le dispositif 10 laisse l'interrupteur S ouvert et le transistor T 2 est le seul à conduire Si le courant I s'établit à une valeur supérieure à Io, le dispositif 10 ferme l'interrupteur S et le transistor bipolaire Tl devient conducteur Dés lors, le courant I passe préférentiellement dans le transistor Tl puisque sa chute de tension Voe est plus faible que celle du transistor IGBT T 2. Tel qu'il a été décrit jusqu'ici, l'interrupteur sta- tique selon la présente invention présente les caractéristiques d'un transistor IGBT pour des courants inférieurs à I 0, et les caractéristiques d'un transistor bipolaire pour des courants supérieurs Par conséquent, cet interrupteur présente la plus faible dissipation de puissance possible pour une plage de courants à commuter comprise entre une valeur faible et un courant maximal pour lequel le transistor bipolaire est encore à la saturation. En outre, comme on l'a mentionné précédemment, lorsque le courant I croit au-delà de la valeur maximale Il, le transis- tor Tl se met à fonctionner en régime linéaire et, comme cela est représenté à la figure 1, la puissance dissipée par ce tran- sistor croît rapidement Mais, comme la commande de grille du transistor IGBT T 2 a été maintenue, la puissance dissipée par le transistor Tl croît jusqu'au moment, correspondant à un courant I 3 dans la figure 1, o la tension Vce du transistor Tl atteint la tension Voe du transistor T 2 Comme cela est représenté, l'égalité des tensions Vce pour le courant I 3 se produit lorsque la puissance dissipée par le transistor Tl est supérieure de la valeur Plo-P 30 à la puissance qui serait dissipée par le tran- sistor T 2 seul A partir du courant I 3, l'interrupteur selon la présente invention présente donc une caractéristique parallèle à celle du transistor T 2 seul, décalée vers le haut de la valeur P 10-P 30 Alors, le courant I passe préférentiellement par le transistor T 2 et les pertes sont réduites On a représenté en trait gras la caractéristique résultante de l'interrupteur de la présente invention entre un courant nul et un courant supérieur à I 3. Ainsi, pour réaliser un interrupteur statique suscep- tible de fonctionner normalement entre une valeur basse et une valeur maximale (Il) et de fonctionner occasionnellement pendant des temps brefs au-delà de cette valeur maximale (Il), on choi- sira un interrupteur selon la présente invention pour lequel le circuit de commande de base du transistor bipolaire est dimen- sionné pour cette valeur maximale On limite ainsi la dissipa- tion de la commande de base ( 12) du transistor Tl à une valeur acceptable (P 10 au lieu de, par exemple, P 20 pour obtenir la caractéristique de la courbe 2) En effet, comme on vient de l'exposer, il n'est pas nécessaire avec l'interrupteur selon la présente invention de dimensionner la commande de base pour que le transistor Tl soit saturé pour des pics de courant occasion- nels supérieurs au courant maximal Il, car ces pics passent préférentiellement par le transistor IGBT T 2 en occasionnant des pertes de puissance moindres que dans le cas o ces pics passeraient par le transistor Tl non saturé. La figure 3 illustre l'interrupteur statique de la figure 2 associé à des éléments de protection On a également représenté plus en détail un mode de réalisation du dispositif de contrôle du courant 10 et de l'interrupteur S La grille du transistor T 2 est reliée à la sortie d'une porte ET 20 à deux entrées L'entrée de l'amplificateur 12 de commande de la base du transistor Tl est reliée à la sortie d'une porte ET 22 à trois entrées Les premières entrées des portes ET 20 et 22 sont reliées à la borne C sur laquelle est appliquée un signal logi- que de commande VC ayant pour référence une masse reliée à la 5 borne B Les deuxièmes entrées des portes ET 20 et 22 sont normalement maintenues à l'état haut par un dispositif de mémo- risation 24 Ainsi, lorsqu'on applique un signal de commande VC à l'état haut à la borne C, ce signal est transmis sur la grille du transistor T 2 qui devient conducteur Le transistor Tl ne devient conducteur que si la troisième entrée de la porte ET 22 est mise à l'état haut. En série entre les transistors et la borne B est disposée une résistance shunt Rs convertissant le courant I en une tension amplifiée par un amplificateur différentiel 26 La15 tension de sortie de l'amplificateur 26 est comparée à une tension de référence Vi par un comparateur 28 dont la sortie commande la troisième entrée de la porte ET 22 Lorsque la tension de sortie de l'amplificateur 26 est supérieure à la tension Vl, la sortie du comparateur 28 passe à l'état haut20 rendant passante la porte ET 22 La tension Vl sera choisie égale à la tension de sortie de l'amplificateur 26 lorsque la résistance Rs est traversée par le courant I O précédemment mentionné, qui est de préférence choisi égal à la valeur It. Les éléments non encore décrits de la figure 3 forment un circuit protecteur des transistors ou de la charge commandée par ces transistors La tension de sortie de l'amplificateur 26 est comparée à une deuxième tension de référence V 2, supérieure à la tension Vl, par un comparateur 30 La tension de sortie de l'amplificateur 26 est également appliquée à un filtre passe-bas constitué d'un réseau RC, dont la sortie est comparée à une troisième tension de référence V 3, comprise entre les tensions Vl et V 2, par un comparateur 32 Les sorties des comparateurs 30 et 32 sont reliées à une porte OU 34 connectée à l'entrée du dispositif de mémorisation 24 Comme précédemment mentionné, la sortie du dispositif 24 est normalement à l'état haut et une impulsion à son entrée provoque le passage à l'état bas de sa sortie Ainsi, lorsque le courant I dépasse une valeur limite correspondant à la tension V 2, la sortie du comparateur 30 bascule à l'état haut, cet état étant transmis à l'entrée du dispositif de mémorisation 24 par la porte OU 34 La sortie du dispositif 24 passe à l'état bas en coupant la commande des transistors Tl et T 2 L'état haut de la sortie du dispositif 24 est rétabli par un front descendant du signal de commande VC. Si le courant I atteint une valeur comprise entre les valeurs correspondant aux tensions V 3 et V 2, les transistors seront coupés seulement si le courant I se maintient à cette valeur suffisamment longtemps En effet, la tension de sortie du réseau RC croît progressivement et atteint la valeur V 3 après un intervalle de temps qui dépend des valeurs de la résistance R et de la capacité C. De plus, le dispositif de mémorisation 24 sera prévu pour que, au bout de par exemple deux coupures des transistors Tl et T 2, l'état haut de la sortie du dispositif 24 ne soit plus rétabli par un front descendant du signal de commande VC. L'homme de l'art réalisera facilement le dispositif de mémorisation 24 à l'aide de bascules et de portes logiques selon ses besoins spécifiques. La figure 4 illustre, à titre d'exemple, un schéma possible d'un tel dispositif de mémorisation 24 Le dispositif comprend une première bascule de type D 41 dont la sortie inver- sée Q* est reliée à l'entrée de donnée D et dont l'entrée d'horloge est reliée à la sortie de la porte OU 34 fournissant l'état à mémoriser La sortie Q* est également reliée à l'entrée d'horloge d'une deuxième bascule D 42 dont l'entrée D est reliée à un potentiel d'alimentation haut Vcc La sortie non inversée Q de la bascule 42 est reliée à une entrée d'une porte NON OU 44 dont la sortie commande la porte ET 22 La tension de commande VC est fournie à une entrée d'une porte ET 46 dont la sortie est reliée à une entrée de remise à zéro inversée R* d'une troisième bascule D 48 La sortie Q de cette bascule 48 est reliée à l'autre entrée de la porte NON OU 44, son entrée D est reliée au potentiel Vcc et son entrée d'horloge est reliée à 5 la sortie de la porte OU 34 Les entrées de remise à zéro R* des autres bascules et l'autre entrée de la porte ET 46 sont reliées au point de connexion entre une résistance 50 reliée au potentiel Voe et une capacité 51 reliée à la masse Ce circuit résistance-capacité assure une remise à zéro des bascules à la10 mise sous tension du dispositif. De nombreuses variantes et modifications de la présente invention apparaîtront à l'homme de l'art Par exemple, à la place de chacun des transistors, on peut prévoir plusieurs transistors en parallèle. il REVENDICATIONS 1 Interrupteur statique comprenant au moins un tran- sistor bipolaire (Tl) dont la base est commandée à travers un amplificateur ( 12) par un signal de commande (VC) et un capteur ( 10) du courant (I) traversant l'interrupteur, caractérisé en ce qu'il comprend: au moins un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) (T 2) connecté en parallèle sur ledit au moins un tran- sistor bipolaire (Tl), dont la grille est commandée par ledit signal de commande (VC); et des moyens (S) pour couper la commande de la base dudit au moins un transistor bipolaire (Tl) lorsque le courant traversant l'interrupteur est inférieur à une valeur prédéter- minée (Io). 2 Interrupteur statique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (S) sont pilotés par un comparateur ( 28) du courant traversant l'interrupteur à ladite valeur prédéterminée (IO). 3 Interrupteur statique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit amplificateur ( 12) est prévu pour fournir un courant de base au transistor bipolaire (Tl) adapté à le mettre en régime de saturation jusqu'à un courant maximal déterminé (Il) et en ce que ladite valeur prédéterminée (IO) est choisie égale au courant (It) pour lequel la puissance dissipée par le transistor bipolaire est égale à la puissance dissipée par le transistor IGBT. 4 Interrupteur statique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième comparateur ( 30) comparant le courant traversant l'interrupteur à une deuxième valeur prédéterminée, associé à30 des moyens ( 20, 22) coupant la commande desdits transistors si le courant est supérieur à la deuxième valeur prédéterminée. Interrupteur statique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un troi- sième comparateur ( 32) comparant le courant traversant l'inter- rupteur à une troisième valeur prédéterminée, associé à des 5 moyens coupant la commande desdits transistors lorsque le courant reste supérieur à la troisième valeur prédéterminée pendant une durée plus longue qu'une durée prédéterminé. 6 Interrupteur statique selon l'une des revendica- tions 4 et 5, caractérisé en ce que des moyens ( 24) sont prévus pour mémoriser le nombre de coupures consécutives de la commande desdits transistors et pour couper définitivement leur commande si ce nombre est supérieur à un nombre prédéterminé.