Brevet FR2710803A1 — publié le 19950407

DISPOSITIF D'INTERRUPIION STATIQUE L'invention concerne un dispositif d'interruption statique comportant au moins un premier composant électronique semiconducteur de puissance, à aire de sécurité réduite, ayant deux électrodes de puissance et une électrode de commande, un circuit de commande d'ouverture et de fermeture connecté à l'électrode de commande du composant à aire de sécurité réduite et un dispositif d'écrêtage de la tension connecté entre les électrodes de puissance du composant à aire de sécurité réduite. Les interrupteurs statiques connus comportent des dispositifs d'écrêtage des surtensions produites lors de l'ouverture d'un circuit électrique. L'élément de puissance est généralement un transistor bipolaire ou une combinaison en parallèle de plusieurs transistors bipolaires. Le choix des transistors en technologie bipolaire est justifié par la faible tension entre le collecteur et l'émetteur pendant le passage de courant fort. De manière courante, les dispositifs d'écrêtage, connectés en parallèle entre le collecteur et l'émetteur des transistors bipolaires de puissance, sont des varistances à oxide de zinc. La caractéristique courant-tension d'une varistance étant non linéaire, le courant augmente très rapidement lorsque la tension croît au-dessus d'un certain seuil. Lors de l'ouverture d'un circuit par un transistor de puissance des inductances propres du circuit provoquent une surtension. Les dispositifs d'écrêtage limitent la surtension en absorbant l'énergie stockée dans les inductances sous forme de courant. Les écrêteurs à varistances seules peuvent dissiper beaucoup d'énergie mais leur comportement dynamique, sous fortes variations de courant, produit un pic de surtension lors de l'ouverture du transistor. Les transistors bipolaires, étant sensibles aux dépassements de la tension collecteur-émetteur, peuvent être endommagés par le pic de surtension. Une limitation du pic de surtension par le transistor lui-même, notamment par la connexion d'une diode à avalanche rapide entre le collecteur et la base, ne serait pas possible à cause de l'aire de sécurité tension-courant réduite des transistors bipolaires. n existe également des circuits d'aide à l'ouverture, dits circuits RCD comportant une diode, un condensateur et une résistance, qui pourraient limiter le pic de surtension et aider à l'ouverture du transistor, mais leur mise au point est délicate et leur fonctionnement n'est pas efficace dans tous les cas de fonctionnement. L'invention a pour but un dispositif d'interruption statique comportant un dispositif d'écrêtage des surtensions et d'aide à l'ouverture rapide et efficace. Ce but est atteint par le fait que le dispositif d'écrêtage comporte au moins un second composant électronique de puissance, à aire de sécurité quasi-rectangulaire, ayant deux électrodes de puissance et une électrode de commande, et un circuit de contrôle d'écrêtage connecté entre l'électrode de commande et une première électrode de puissance dudit second composant électrique, les premier et second composants électroniques étant connectés en parallèle. Selon des modes particuliers de réalisation ledit premier composant électronique semiconducteur de puissance est un transistor bipolaire, et ledit second composant électronique de puissance est un transistor à effet de champ de type MOS. Dans un mode préférentiel de réalisation le circuit de contrôle d'écrêtage comporte une diode écrêteuse en série avec une diode. Selon un développement du mode de réalisation la diode écrêteuse comporte une cathode connectée à la première électrode de puissance du second composant, et la diode comportant une cathode connectée à l'électrode de commande du second composant. Le dispositif d'écrêtage peut comporter une varistance connectée en parallèle sur les électrodes de puissance du premier composant. Le dispositif d'écrêtage peut également comporter un circuit de commande de la conduction du second composant comportant un transistor ayant un émetteur connecté à une source de tension, ayant une base connectée, à travers une résistance et une diode, à la première électrode de puissance du second composant et un collecteur connecté, à travers une diode, à l'électrode de commande du second composant. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 représente le schéma d'un circuit avec un interrupteur protégé par une varistance, selon l'art antérieur. La figure 2 illustre les tensions et les courants du circuit de la figure 1. La figure 3 illustre des aires de sécurité de composants électroniques de puissance. La figure 4 représente un schéma simplifié d'un interrupteur selon l'invention. La figure 5 représente un schéma développé d'un interrupteur selon une variante de réalisation de l'invention. La figure 1 montre un circuit électrique comportant un générateur 1 de tension, une inductance 2 représentative notamment des inductances de lignes et des inductances de charge, un interrupteur 3 et une impédance de charge 4, connectés en série. Une varistance 5 de protection contre des surtensions est connectée en parallèle sur l'interrupteur 3. L'interrupteur 3 est du type statique, à semiconducteur généralement en technologie bipolaire, les transistors bipolaires ayant des tensions émetteur-collecteur Vce faibles à fort courant. L'interrupteur 3, comportant un transistor bipolaire 6 de puissance pour la coupure du courant, peut fonctionner comme un disjoncteur statique. En fonctionnement normal, interrupteur fermé, un courant I fourni par le générateur 1 traverse l'inductance 2, l'interrupteur 3 et la charge 4. En fonctionnement en disjoncteur statique, lorsque le courant augmente au-delà d'un seuil donné pendant un temps prédéterminé l'interrupteur 3 s'ouvre. Lors de l'ouverture la tension collecteur-émetteur Vce croît rapidement, la valeur de la tension est égale à la tension du générateur à laquelle s'ajoute une surtension générée par l'inductance. La surtension est proportionnelle à la valeur de l'inductance L et à la dérivée du courant dI/dt. Des courbes 2a et 2b, représentatives respectivement de la tension collecteur-émetteur Vce et du courant I dans, le circuit, sont illustrées sur la figure 2. Entre les instants tl et t2 l'interrupteur est fermé, le courant I est nominal et la tension Vce a une faible valeur. Suite à un court-circuit ou à une surcharge, à l'instant t2 le courant croît et la tension Vce est toujours basse. A l'instant t3 un ordre d'ouverture commande le blocage du transistor 6. La tension Vce augmente rapidement jusqu'à une valeur maximale de pic Vp. Ensuite, à l'instant t4, la varistance conduit et la tension Vce est limitée à la tension de limitation Vz de la varistance, inférieure à la tension Vp. Entre les instants t3 et t5, le courant I décroît puis s'annule. La tension Vce devient alors égale à la tension Vg fournie par le générateur 1. La période, entre les instants t3 et t4, pendant laquelle le transistor supporte seul la surtension dépend du temps de réaction de la varistance. La limitation en tension ne peut pas être assurée par le transistor lui-même, les transistors bipolaires ayant une aire de sécurité en puissance réduite. Le courant maximum pouvant circuler à travers le collecteur à tension élevée est inférieur au courant maximum admissible à basse tension. La figure 3 montre des courbes représentatives d'aires de sécurité en puissance impulsionnelle. Lesdites courbes indiquent des valeurs de courant maximum It que peut supporter un transistor en fonction des tensions Vt entre les électrodes de puissance, correspondant par exemple à la tension collecteur-émetteur Vce. Une courbe 7 de la figure 3 illustre l'aire de sécurité d'un transistor bipolaire. Si la tension Vce, représentée par Vt, est inférieure à une tension Vtl, un courant maximum impulsionnel Itm peut parcourir le transistor sans dommage. Si la tension Vt se trouve entre des valeurs intermédiaires Vtl et Vt2, le courant It pouvant être supporté par le transistor décroît lorsque la valeur de Vt croît. Pour des tensions supérieures à la tension Vt2, le courant It ne doit pas dépasser une valeur limite réduite Itr. Une valeur Vtm représente la valeur maximale de la tension entre les électrodes de puissance du transistor. D'autres composants de puissance à semiconducteur comportent des aires de sécurité rectangulaires ou quasi rectangulaires. Ces composants sont généralement en technologie MOS (Métal-Oxide-Semiconducteur). L'électrode de commande contrôle la conduction par effet de champ. L'aire de sécurité desdits composants est représentée par une courbe 8 sur la figure 3. L'aire de sécurité en puissance impulsionnelle montre que le transistor peut supporter un courant maximum Itm même avec une tension élevée (maximale) Vtm sur les électrodes de puissance du transistor. Selon l'invention un, transistor bipolaire à aire de sécurité réduite est protégé contre les surtensions par un transistor de type MOS ou IGBT (transistor à grille isolée) à aire de sécurité quasi-rectangulaire connecté en parallèle. La figure 4 montre un schéma d'un interrupteur comportant un transistor 6 bipolaire protégé par un transistor MOS 9 à effet de champ. Le drain et la source du transistor MOS 9 sont connectés respectivement au collecteur et à l'émetteur du transistor bipolaire 6. Le contrôle de la fermeture et de l'ouverture du circuit de puissance est réalisé par un circuit de commande 10 connecté à la base du transistor 6 et à la grille du transistor 9. Une diode écrêteuse 1 1 à avalanche rapide connectée entre le drain et la grille du transistor 9 permet un fonctionnement en limiteur de tension du transistor MOS. Une diode 12 en série avec la diode écrêteuse 1 1 bloque la tension de commande de la grille lorsque les transistors 6 et 9 sont saturés, la tension de grille étant supérieure à la tension de drain. Lorsque l'interrupteur est fermé, les deux transistors 6 et 9 sont saturés. La plus grande partie du courant passe par le transistor bipolaire 6, le transistor MOS 9 ayant une chute de tension, à fort courant, supérieure à celle du transistor bipolaire 6. A l'ouverture de l'interrupteur le circuit de commande 10 bloque le transistor 6. Le courant ne passe plus par le transistor 6 mais par le transistor MOS 9. Après le blocage du transistor 6, le circuit de commande arrête de commander le transistor MOS 9 en saturation, en mettant la grille en circuit ouvert ou en haute impédance. La tension Vce entre le collecteur et l'émetteur du transistor 6, correspondant également à une tension Vds entre le drain et la source du transistor 9, et la tension Vdz aux bornes de la diode écrêteuse 1 1 augmentent. Lorsque la tension Vdz dépasse le seuil de conduction de la diode écrêteuse 11, la grille est polarisée à travers la diode 12 et le transistor MOS 9 conduit. L'ensemble transistor MOS, diode écrêteuse 11 et diode 12, fonctionne en écrêteur, la tension Vds étant dépendante de la tension de seuil de conduction de la diode 11. La figure 5 représente un schéma complet d'une variante de réalisation. La base du transistor 6 est connectée à une première extrémité d'une résistance 13 et à l'anode d'une diode 14 montées en parallèle. Le contrôle de la conduction ou du blocage du transistor 6 est fait par 2 interrupteurs 15 et 16, dont un seul est fermé à la fois, connectés respectivement à une tension de commande positive Vbp et à une tension de commande négative Vbn, les deux interrupteurs étant connectés ensemble à la seconde extrémité de la résistance 13 et à la cathode de la diode 14. La fermeture de l'interrupteur 15 commande la conduction du transistor 6 en polarisant la base à travers la résistance 13 de limitation de courant, la diode 14 étant bloquée. Le blocage du transistor 6 est commandé par la fermeture de l'interrupteur 16, la diode 14 est alors conductrice et la base est polarisée en sens inverse par une tension négative représentative de la tension Vbn. Le transistor 9 est connecté, comme sur la figure 4, en parallèle sur le transistor 6. La grille du transistor 9 est reliée à la source par une résistance 17. Une diode de protection 18 connectée également entre la grille et la source protège la grille du transistor contre les risques de surtension. Le fonctionnement écrêteur du transistor est assuré par la diode écrêteuse 1 1 en série avec la diode 12 connectée entre le drain et la source du transistor MOS 9. La saturation du transistor 9 est commandée par un circuit contrôlé par la tension Vce. Un transistor 19 de type PNP permet d'appliquer une tension représentative d'une tension d'alimentation Va à la grille du transistor 9. La base du transistor 19 est connectée, à travers une résistance en série avec une diode au collecteur du transistor 6, la cathode de la diode étant reliée au collecteur. Une résistance 22 relie la base et l'émetteur du transistor 19. Une diode 23 est connectée entre le collecteur du transistor 19 et la grille du transistor 9, l'anode étant reliée au collecteur de 19. Lorsque le transistor bipolaire 6 est bloqué la tension Vce est supérieure à la tension Va, la diode 21 et la jonction base-émetteur du transistor 19 sont polarisées en inverse, le transistor 19 est bloqué et la tension Va n'est pas appliquée à la grille du transistor MOS 9. Les deux transistors 6 et 9 sont bloqués et l'interrupteur est ouvert. La conduction ou la saturation du transistor 6 entraîne une baisse de la tension Vce qui devient inférieure à la tension Va. Un courant peut alors circuler dans la base du transistor 19 et à travers la résistance 20. Le transistor 19 devient conducteur et une tension représentative de la tension Va est appliquée à travers la diode 23 à la grille du transistor 9. La polarisation positive de la grille rend conducteur le transistor 9. La conductivité du transistor 9 étant inférieure à la conductivité du transistor 6 sous une faible tension Vce, le courant circulant dans le transistor 9 est inférieur au courant traversant le transistor 6. A l'ouverture du transistor 6, le courant qui passait par le transistor 6 passe par le transistor 9. La tension Vce augmente, la conductivité du transistor 9 ne pouvant pas le maintenir à une tension basse. Losque la tension Vce devient supérieure à la tension Va, sans tenir compte des tensions directes de jonction des composants 21 et 19, le transistor 19 se bloque. Le transistor 9 n'étant plus connecté par le transistor 19, les tensions Vce et Vds continuent de croître jusqu'à la tension de seuil de conduction de la diode écrêteuse 11. Le transistor 9 fonctionne alors en écrêteur et supprime le pic de surtension à l'ouverture du circuit de puissance. Le circuit décrit ci-dessus aide à l'ouverture du transistor 6. Dans la protection de circuits de forte puissance, une varistance peut être associée au dispositif de protection par transistor MOS 9. Le transistor 9 protège le transistor 6 pendant le pic de surtension avant le début de conduction de la varistance 5. Pour que le transistor ne fonctionne plus lorsque la varistance absorbe l'énergie, le seuil de conduction de la diode écrêteuse I1 est choisi supérieure à celui de la varistance. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus le transistor bipolaire 6 peut être aussi, naturellement, remplacé par une combinaison de plusieurs transistors connectés en parallèle. Il est également possible, tout en restant dans le domaine de l'invention, de remplacer le transistor bipolaire par un autre composant à aire de sécurité réduite mais à grande conductivité, par exemple des thyristors ouvrable par la gachette et notamment des thyristors MCT dont la commande est réalisée par un grille à effet de champs. Le transistor MOS peut être remplacé par une combinaison de plusieurs transistors MOS connectés en parallèle. D'autres composants à aire de sécurité quasi-rectangulaire, par exemple des transistors bipolaires à grille isolée dit IGBT, peuvent être utilisés à la place du MOS 9. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'interruption statique comportant au moins un premier composant (6) électronique semiconducteur de puissance, à aire de sécurité réduite, ayant deux électrodes de puissance et une électrode de commande, un circuit de commande (10) d'ouverture et de fermeture connecté à l'électrode de commande du composant (6) à aire de sécurité réduite et un dispositif d'écrêtage (5) de la tension connecté entre les électrodes de puissance du composant (6) à aire de sécurité réduite, dispositif d'interruption caractérisé en ce que le dispositif d'écrêtage comporte au moins un second composant (9) électronique de puissance, à aire de sécurité quasi-rectangulaire, ayant deux électrodes de puissance et une électrode de commande, et un circuit (11, 12) de contrôle d'écrêtage connecté entre l'électrode de commande et une première électrode de puissance dudit second composant électrique, les premier et second (6, 9) composants électroniques étant connectés en parallèle. 2. Dispositif d'interruption selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit premier composant (6) électronique semiconducteur de puissance est un transistor bipolaire. 3. Dispositif d'interruption selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ledit second composant (9) électronique de puissance est un transistor à effet de champ de type MOS. 4. Dispositif d'interruption selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le circuit de contrôle d'écrêtage comporte une diode écrêteuse (11) en série avec une diode (12). 5. Dispositif d'interruption selon la revendication 4 caractérisé en ce que la diode écrêteuse (11) comporte une cathode connectée à la première électrode de puissance du second composant (9), et la diode (12) comportant une cathode connectée à l'électrode de commande du second composant. 6. Dispositif d'interruption selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le dispositif d'écrêtage comporte une varistance (5) connectée en parallèle sur les électrodes de puissance du premier composant (6). 7. Dispositif d'interruption selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que le dispositif d'écrêtage comporte un circuit de commande de la conduction du second composant (9) comportant un transistor (19) ayant un émetteur connecté à une source de tension (Va), ayant une base connectée, à travers une résistance (20) et une diode (21), à la première électrode de puissance du second composant (9) et un collecteur connecté, à travers une diode (23), à l'électrode de commande du second composant (9).