Brevet FR2702608A1 — publié le 19940916

La présente invention concerne des montages à transistor de commutation et des circuits destinés à aider à la commutation. En électronique, on utilise largement les transistors de commutation dans des applications telles que des dispositifs de commande de moteur, des alimentations électriques à découpage, des circuits d'excitation de relais à noyau plongeur, et des systèmes linéaires. Typiquement, les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFEI) sont préférés aux transistors bipolaires dans les applications de commutation, car les MOSFET sont plus faciles à commander. Toutefois, pour obtenir les temps de commutation courts qui sont souvent nécessaires dans de telles applications, il est nécessaire de rapidement charger et décharger la capacité d'entrée Cgs du MOSFET, ce qui produit d'importants courants transitoires dans le courant de commande appliqué au MOSFET. Classiquement, les montages de la technique antérieure ont approché le problème de la commutation des MOSFET à des vitesses suffisamment rapides selon l'une des trois manières suivantes. 1) Un réseau externe, typiquement construit autour d'un transistor bipolaire pnp à petits signaux, peut être utilisé pour décharger la capacité d'entrée Cgs du MOSFET au moment du passage à l'état non conducteur. Cette approche nécessite typiquement l'addition d'au moins 4 composants discrets et ne fournit aucune aide pour le passage à l'état conducteur du MOSFET. 2) Un dispositif intégré particulier, comme le dispositif à circuit intégré MDC1000 de la société Motorola, peut être connecté entre un dispositif de commande et l'électrode de grille du MOSFET pour améliorer le temps de passage à l'état non conducteur du MOSFEI. Cette approche nécessite encore l'addition d'un composant externe et, comme l'approche précédente, n'apporte aucune aide au passage à l'état conducteur du MOSFET. 3) Un circuit logique de commande et un dispositif de puissance pourrait être mis en oeuvre sur la même puce semiconductrice pour réaliser une structure monolithique ayant le comportement voulu, mais cette approche présente un certain nombre d'inconvénients : la technologie utilisée pour fabriquer le dispositif composite est, de façon typique, non compatible avec celle utilisée pour produire un MOSFET de puissance normal; de plus, la technique néces saire est coûteuse, ce qui rend cette approche inadaptée à des circuits simples et justifiable seulement pour l'intégration à grande échelle avec valeur ajoutée élevée. Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un montage de circuit à transistor de commutation, comprenant: un noeud d'entrée destiné à recevoir un signal de commande de commutation; un premier noeud de référence destiné à recevoir un premier potentiel de référence; un deuxième noeud de référence destiné à recevoir un deuxième potentiel de référence; un transistor de commutation possédant une électrode de commande couplé au noeud d'entrée, une première électrode de courant couplée au premier noeud de référence, et une deuxième électrode de courant couplée au deuxième noeud de référence; un premier transistor d'interface possédant une électrode de commande, une première électrode de courant couplée au premier noeud de référence, et une deuxième électrode de courant couplée à l'électrode de commande du transistor de commutation; et un deuxième transistor d'interface possédant une électrode de commande couplée au noeud d'entrée, une première électrode de courant couplée au premier noeud de référence, et une deuxième électrode de courant couplée à l'électrode de commande du premier transistor d'interface, si bien que les premier et deuxième transistors d'interface servent à décharger la charge capacitive par l'électrode de commande du transistor de commutation lorsque la tension existant sur l'électrode de commande du transistor de commutation est abaissée. On comprendra qu'un tel montage de circuit à transistor de commutation est extrêmement simple et peut être fabriqué suivant un processus MOSFET anormal permettant de produire une structure monolithique. Un tel dispositif ne demande que les trois broches d'un dispositif MOSFEI classique, n'exige aucune source de polarisation électrique externe, et il donne une assistance à la fois au passage à l'état conducteur et au passage à l'état non conducteur. Puisqu'il peut être fabriqué à l'aide de la technologie MOSFET normale, le circuit de l'invention n'est ni limité en courant, ni limité en tension et il peut donc être utilisé dans une large variété d'applications, comprenant les systèmes basse tension/courant élevé et haute tension/courant élevé. On notera que, si cela est souhaitable, on peut fabriquer le circuit sans le transistor de commutation (lequel peut être produit séparément et connecté ultérieurement). Par conséquent, selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un circuit destiné à aider à la commutation d'un transistor de commutation, le circuit comprenant:: un noeud d'entrée destiné à recevoir un signal de commande de commutation; un premier noeud de référence destiné à recevoir un premier potentiel de référence; un deuxième noeud de référence destiné à recevoir un deuxième potentiel de référence un noeud de commande destiné à être couplé à une électrode de commande du transistor de commutation un premier transistor d'interface possédant une électrode de commande, une première électrode de courant couplée au premier noeud de référence, et une deuxième électrode de courant couplée à l'électrode de commande du transistor de commutation; et un deuxième transistor d'interface possédant une électrode de commande couplée au noeud d'entrée, une première électrode de courant couplée au premier noeud de référence, et une deuxième électrode de courant couplée à l'électrode de commande du premier transistor d'interface, si bien que les premier et deuxième transistors d'interface servent à décharger la charge capacitive par l'électrode de commande du transistor de commutation lorsque la tension existant sur l'électrode de commande du transistor de commutation est abaissée. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur les dessins annexés, qui décrivent trois montages de circuit à transistor de commutation selon l'invention, et où: la figure 1 est un schéma de circuit simplifié d'un premier montage de circuit à transistor de commutation; la figure 2 est un schéma de circuit simplifié d'un deuxième montage de circuit à transistor de commutation; et la figure 3 est un schéma de circuit simplifié d'un troisième montage de circuit à transistor de commutation. On se reporte maintenant à la figure 1. Un premier montage de circuit à transistor de commutation 100 possède une borne de grille 102, une borne de drain 104 et une borne de source 106. Un transistor bipolaire npn 108 est connecté par son électrode de base à la borne de grille 102 et est connecté par son électrode de collecteur à la borne de drain 104. Un MOSFET à canal n 110 est connecté par son électrode de drain à la bome de drain 104, est connecté par son électrode de source à la borne de source 106, et est connecté par son électrode de grille à l'électrode d'émetteur du transistor bipolaire npn 108. Un autre MOSFET à canal n 112 est connecté par son électrode de drain à l'électrode d'émetteur du transistor bipolaire npn 108. Le MOSFEI 112 est connecté par son électrode de source à la bome de source 106. Un autre MOSFEI à canal n 114 est connecté par son électrode de drain à l'électrode de grille du MOSFET 112. Le MOSFET 114 est connecté par son électrode de source à la borne de source 106. Le MOSFET 114 est connecté par son électrode de grille à la borne de grille 102. Une résistance 116 est connectée entre l'électrode d'émetteur du transistor bipolaire npn 106 et l'électrode de grille du MOSFET 112. Le MOSFEr 110 comporte entre ses électrodes de source et de drain une diode de protection 118. Une diode à claquage à effet Zener 120 est connectée entre la borne de grille 102 et la borne de source 106. Pour l'utilisation avec le montage de la figure 1, le MOSFET 110 constitue le transistor de commutation, et le reste du circuit aide à la commutation du MOSFET 110, de la manière suivante. Lorsque la tension d'entrée VIN appliquée à la borne de grille 102 est positive, le MOSFET 114 est rendu conducteur, ce qui tire la tension grille-source Vgs du MOSFET 112 en dessous de sa valeur de seuil Vgsth et rend le MOSFET 112 non conducteur. La constante de temps grille/source du MOSFET 112 est choisie de façon à être considérablement plus élevée que celle du MOSFET 114, de façon à assurer que le MOSFET 112 et MOSFET 114 ne seront pas dans l'état conducteur en même temps. Lorsqu'une tension d'entrée positive VIN est appliquée à la borne de grille 102, que le MOSFET 114 a été rendu conducteur et le MOSEEF 112 non conducteur, le transistor bipolaire npn 108 est polarisé dans le sens passant, ce qui amène la tension grille-source du MOSFET 110 à devenir positive et rend conducteur le transistor de commutation. Ainsi, la capacité d'entrée du MOSPET de commutation 110 est chargée par le courant d'émetteur du transistor bipolaire npn 108, ce qui aide à rendre conducteur le MOSFET de commutation 110. La capacité d'entrée du MOSFET de commutation 110 étant chargée, lorsque la tension d'entrée VIN appliquée à la borne de grille passe au niveau bas, l'électrode d'émetteur du transistor bipolaire npn 108 devient positive par rapport à sa base, ce qui rend le transistor 108 non conducteur. Après la durée correspondant à la constante de temps déterminée par la valeur de la résistance 116 et la capacité d'entrée du MOSFET 112, le MOSFET 112 devient conducteur, ce qui offre un trajet de basse impédance, de l'électrode de grille du MOSPET de commutation 110 à la borne de source 106. Ainsi, la capacité d'entrée du MOSFET de commutation 110 se décharge rapidement, ce qui aide à rendre non conducteur le MOSFET de commutation 110. On comprendra en outre que la diode 118 sert à protéger le transistor de commutation 110, d'une manière bien connue, dans le cas d'une connexion de poIarité inverse entre les bornes de drain et de source. On comprendra également que, pour qu'elle puisse supporter des pointes de tension (qui peuvent se produire, par exemple dans un environnement industriel), la diode Zener 120 est choisie de manière à fixer le niveau de la tension d'entrée au-dessous des tensions de claquage BVDSS des MOSFET 110, 114 et au-dessous de la tension de claquage BVGS du MORTEL 110. On aura compns que, si cela est souhaitable, on peut supprimer la diode Zener 120 sans affecter le fonctionnement en commutation du montage. On comprendra qu'il est possible de fabriquer le montage de la figure 1 dans un unique circuit intégré, à l'aide de la technique de traitement MOSFET classique. De plus, puisque le montage de la figure 1 ne nécessite aucune entrée de polarisation externe et demande simplement les trois même connexions que le dispositif MOSFET classique, on peut facilement utiliser le montage en remplacement de dispositifs MOSFET classiques. De plus, puisque le montage de circuit de la figure 1 s'aide de lui-même à rendre non conducteur et à rendre conducteur le transistor de commutation, il demande une très faible énergie de commutation à un circuit de commande externe, et est par conséquent compatible, sans qu'il faille ajouter de circuits d'interface, avec des dispositifs de commande de faible puissance tels que des portes TTL, CMOS ou NMOS ou des sorties de microprocesseur.De plus, puisqu'on peut fabriquer le montage de la figure 1 à l'aide de la technique MOSFET normale, le circuit n'est ni limité en tension, ni limité en courant et peut donc être utilisé dans une large variété d'applications, comprenant les systèmes à basse tension/courant élevé et haute tension/courant élevé. On aura compris que, alors que le montage de la figure 1 aide à la fois le passage à l'état non conducteur et le passage à l'état conducteur du transistor de commutation, il peut ne pas être nécessaire, dans certaines applications, de prévoir une aide au passage à l'état conducteur. On se reporte maintenant à la figure 2. Un deuxième montage de circuit à transistor de commutation 200 (reposant sur le montage de la figure 1) n assure que l'aide au passage à l'état non conducteur. Comme on peut le voir, le montage de la figure 2 diffère du montage de la figure 1 principalement en ce que le transistor bipolaire npn 108 de la figure 1 est remplacé dans le montage de la figure 2 par une simple diode 208 ; tous les autres composants du montage de la figure 2 sont les mêmes que ceux du montage de la figure 1 (mise à part la diode Zener de la figure 1 qui est absente, comme discuté ci-dessus) et ne demandent donc pas une nouvelle description. On comprendra que le montage de la figure 2 a pour fonction d'assurer une aide au passage à l'état non conducteur exactement comme déjà décrit en relation avec la figure 1. On passe maintenant à la figure 3. Un troisième montage de circuit à transistor de commutation 300 produit, comme le montage de la figure 2 ci-dessus décrit, une aide au passage à l'état non conducteur, mais n'assure pas d'aide au passage à l'état conducteur. Le troisième montage de circuit à transistor de commutation 300 possède une borne de grille 302, une bome de drain 304 et une borne de source 306. Un condensateur 308 est connecté par une première électrode à la borne de drain 304. Un MOSPET à canal n 310 est connecté par son électrode de drain à la borne de drain 304, est connecté par son électrode de source à la borne de source 306, et est connecté par son électrode de grille à la borne de grille 306. Un autre MOSFET à canal n 312 est connecté par son électrode de drain à la bome de grille 302. Le MOSFET 312 est connecté par son électrode de source à la borne de source 306. Le MOSFEI 312 est connecté par son électrode de grille à l'autre électrode du condensateur 308. Un autre MOSFET à canal n 314 est connecté par son électrode de drain à l'électrode de grille du MONEL 312. Le MOSFET 314 est connecté par son électrode de source à la borne de source 306. Le MOSFET 114 est connecté par son électrode de grille à la borne de grille 302. Une diode Zener 316 est connectée entre l'électrode de grille du MOSFET 312 et la borne de source. Le MOSFET 310 est connecté, entre ses électrodes de source et de drain à une diode de protection 318. Une diode Zener 320 est connectée entre la borne de grille 302 et la borne de source 306. Dans l'utilisation du montage de la figure 3, le MOSFET 310 constitue le transistor de commutation, et (de même que le montage de la figure 2 ci-dessus décrit) le reste du circuit aide à la commutation à l'état non conducteur du MOSFET 310, de la manière suivante. La capacité d'entrée du MOSFET de commutation 310 étant chargée, lorsque la tension d'entrée VIN appliquée à la borne de grille passe au niveau bas, le MOSFET de commutation 310 devient non conducteur et la tension s'élève entre ses électrodes de grille et de source. L'élévation de tension produit un courant qui passe dans le condensateur 308, l'intensité du courant étant donnée par C.aV/at où C est la capacité du condensateur 308, V est la tension entre les électrodes de grille et de source du MOSFET 310 et t est le temps.Le courant passant dans le condensateur 308 produit une tension entre les électrodes de grille et de source du MOSFET 312, ce qui amène ce MOSFET à devenir conducteur, et à ainsi offrir un trajet de faible impédance de l'électrode de grille du MOSPET de commutation 310 à la borne de source 306. Ainsi, la capacité d'entrée du MOSFET de commutation 310 se décharge rapidement, ce qui aide au passage à l'état non conducteur du MOSFET de commutation 310. On comprendra que cet effet est cumulatif: plus le passage à l'état non conducteur du MOSFET de commutation 310 est rapide, plus le courant est élevé dans le condensateur 308, et plus le passage à l'état conducteur du MOSFET 312 est rapide. On comprendra que la diode Zener 316 sert à assurer que, pour des niveaux très élevés de aV/at, la tension entre les électrodes de grille de source du MOSFET 312 étendra les possibilités relatives à Vgs du MOSFET. On comprendra que, par comparaison aux montages des figures 1 et 2 ci-dessus décrits, en plus de faire commuter plus rapidement le MOSFET 310, le montage de la figure 3 offre deux autres avantages : premièrement, l'impédance d'entrée du montage de la figure 3 est exactement la même que celle d'un boîtier MOSFET normalisé, et il n'y a aucune fuite de courant de l'alimentation électrique à la borne de grille; et, deuxièmement, puisque, dans le montage de la figure 3, il n'existe aucune diode isolante d'électrode de grille du MOSFEI de commutation vis-à-vis de la borne de grille, il n'y a pas de chute de tension pendant le passage à l'état conducteur du MOStIel de commutation, ce qui laisse disponible toute la tension d'excitation pour la commande du MOSFET de commutation. On aura compris que, alors que les montages décrits ci-dessus contiennent un transistor de commutation qui est fabriqué solidairement avec les autres composants du circuit, on peut, si cela est souhaitable, fabriquer les montages de circuit autrement (sous la forme de circuits destinés à aider à la commutation d'un transistor de commutation) sans le transistor de commutation (qui peut être prévu séparément et connecté ultérieurement). On aura également compris que, alors que les modes de réalisation cidessus décrits utilisent diversement un transistor bipolaire npn et des transistors MOSFET à canal n, on peut également employer, si cela est souhaitable, d'autres types de transistors, comme des transistors bipolaires de type p ou des MOSFET à canal p. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir des montages dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. EVENDICATIONS 1. Montage de circuit à transistor de commutation, (100, 200, 300), caractérisé en ce qu'il comprend: un noeud d'entrée (102,302) destiné à recevoir un signal de commande de commutation; un premier noeud de référence (104, 304) destiné à recevoir un premier potentiel de référence; un deuxième noeud de référence (106 ; 306) destiné à recevoir un deuxième potentiel de référence; un transistor de commutation (110, 310) possédant une électrode de commande couplée au noeud d'entrée, une première électrode de courant couplée au premier noeud de référence, et une deuxième électrode de courant couplée au deuxième noeud de référence;; un premier transistor d'interface (112, 312) possédant une électrode de commande, une première électrode de courant couplée au premier noeud de référence, et une deuxième électrode de courant couplée à l'électrode de commande du transistor de commutation ; et un deuxième transistor d'interface (114, 314) possédant une électrode de commande couplée au noeud d'entrée, une première électrode de courant couplée au premier noeud de référence, et une deuxième électrode de courant couplée à l'électrode de commande du premier transistor d'interface, de sorte que les premier et deuxième transistors d'interface servent à décharger la charge capacitive venant par l'électrode de commande du transistor de commutation lorsque la tension existant sur l'électrode de commande du transistor de commutation est abaissée. 2. Circuit destiné à aider à la commutation d'un transistor de commutation, le circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend: un noeud d'entrée (102,302) destiné à recevoir un signal de commande de commutation; un premier noeud de référence (104, 304) destiné à recevoir un premier potentiel de référence; un deuxième noeud de référence (106 ; 306) destiné à recevoir un deuxième potentiel de référence; un noeud de commande destiné à être couplé à une électrode de commande du transistor de commutation; un premier transistor d'interface (112, 312) possédant une électrode de commande, une première électrode de courant couplée au premier noeud de référence, et une deuxième électrode de courant couplée à l'électrode de commande du transistor de commutation; et un deuxième transistor d'interface (114, 314) possédant une électrode de commande couplée au noeud d'entrée, une première électrode de courant couplée au premier noeud de référence, et une deuxième électrode de courant couplée à l'électrode de commande du premier transistor d'interface, de sorte que les premier et deuxième transistors d'interface servent à décharger la charge capacitive venant par l'électrode de commande du transistor de commutation lorsque la tension existant sur l'électrode de commande du transistor de commutation est abaissée. 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les premier et deuxième transistors d'interface sont des transistors MOSFET. 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premier et deuxième transistors d'interface sont des transistors MOSFET à canal n. 5. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen formant une résistance (116) qui est couplé entre le noeud d'entrée et la deuxième électrode de courant du premier transistor d'interface. 6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen capacitif (308) couplé entre le deuxième noeud de référence et l'électrode de commande du premier transistor d'interface. 7. Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen formant une diode à claquage (320) qui est couplé entre la première électrode de courant du premier transistor d'interface et l'électrode de commande du premier transistor d'interface. 8. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un troisième transistor d'interface (108) comportant une électrode de commande couplée au noeud d'entrée, une première électrode de courant couplée au deuxième noeud de référence, et une deuxième électrode de courant couplée à la deuxième électrode de courant du premier transistor d'interface. 9. Circuit selon la revendication 8, caractérisé en ce que le troisième transistor d'interface est un transistor bipolaire. 10. Circuit selon la revendication 9, caractérisé en ce que le troisième transistor d'interface est un transistor bipolaire npn (108).