Brevet FR2713029A1 — publié le 19950602

Dispositif d'alimentation de circuit de commande de composant interrupteur de puissance La présente invention concerne d'une façon générale la commande de composants interrupteurs de puissance, utilisés notamment dans les convertisseurs d'énergie, et plus particulièrement l'alimentation des circuits de commande, appelés aussi allumeurs, de tels composants. On connait deux types de dispositifs d'alimentation de circuits de commande de composants interrupteurs de puissance, ceux qui utilisent une source d'énergie extérieure, et ceux qui utilisent la tension apparaissant aux bornes du composant interrupteur de puissance à l'état bloqué, dite aussi tension de blocage, pour charger, pendant les périodes de blocage de ce composant, un condensateur dit15 de réserve d'énergie. Les premiers ont pour inconvénient, outre le fait de nécessiter une telle source d'énergie extérieure, de nécessiter un isolement galvanique, et donc de conduire à des solutions chères et souvent complexes, et ce d'autant20 plus que la tension d'isolement requise est élevée, et de ne pas toujours garantir un isolement dynamique (ou immunité dv aux -) satisfaisant. dt Les seconds ont notammant pour inconvénient de ne pas être adaptés aux cas d'utilisation à temps de blocage relativement courts. La charge dudit condensateur de réserve d'énergie peut ainsi se faire: - soit au moyen d'un système de type "pompe à diode" (ou "bootstrap"), mais un tel système a en outre pour inconvénient de ne pas fonctionner dans tous les cas d'application (par exemple dans le cas d'onduleurs dits à trois niveaux), - soit au moyen d'une source de courant commandée ou non (transistor ballast...): voir le document "New driver concept for MOS- gated devices", N. KUMAGAI, Fuji Electric Corporate Japan, PCIM Europe, mars-avril 1993; cette dernière solution a en outre pour inconvénient de mettre en oeuvre des composants actifs utilisés à la limite de leur aire de sécurité dès que la tension de blocage du composant à commander s'élève. La présente invention a notamment pour but d'éviter les inconvénients précités. La présente invention a pour objet un dispositif d'alimentation de circuit de commande de composant interrupteur de puissance, à partir de la tension10 apparaissant aux bornes de ce composant à l'état bloqué, ce dispositif comportant un condensateur de réserve d'énergie, et étant essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour charger ledit condensateur de réserve d'énergie pendant les périodes de conduction dudit15 composant. Suivant un exemple de réalisation de l'invention, lesdits moyens pour charger ledit condensateur de réserve d'énergie pendant les périodes de conduction dudit composant comportent:20 - un circuit oscillant connecté aux bornes dudit composant, - un élément dit de branchement permettant de connecter ledit condensateur de réserve d'énergie aux bornes de l'inductance dudit circuit oscillant une fois que, à la mise en conduction dudit composant, l'énergie stockée dans le25 condensateur dudit circuit oscillant, pendant les périodes de blocage dudit composant, a été transférée dans ladite inductance. D'autres objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, faite en relation avec les dessins ci-annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma destiné à illustrer un exemple de réalisation d'un dispositif suivant l'invention, - la figure 2 est un diagramme destiné à illustrer le fonctionnement du dispositif illustré sur la figure 1. Le dispositif d'alimentation, noté 1, illustré sur la figure 1, est destiné à alimenter un circuit de commande, noté 2, d'un composant interrupteur de puissance, noté 3, constitué en l'occurrence par un composant dit à grille 5 isolée, tel qu'un composant dit IGBT ("Insulated Gate Bipolar Transistor"), auquel cas ledit circuit de commande a deux états de consommation possibles, l'un de forte consommation, aux instants de commande de mise en conduction dudit composant, et l'autre de faible consommation, en10 dehors de ces instants. Le dispositif d'alimentation 1 illustré sur la figure 1 alimente le circuit de commande 2 à partir de la tension apparaissant aux bornes du composant 3 à l'état bloqué. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, ce dispositif comporte:15 - un condensateur de réserve d'énergie, noté C2, des moyens de régulation de tension, fournissant la tension d'alimentation du circuit de commande 2 à partir de la tension aux bornes du condensateur de réserve d'énergie C2,20 - des moyens pour charger le condensateur de réserve d'énergie C2 pendant les périodes de conduction dudit composant, et - des moyens supplémentaires pour alimenter ledit circuit de commande au démarrage. Lesdits moyens pour charger le condensateur de réserve d'énergie pendant les périodes de conduction dudit composant comportent dans l'exemple illustré sur la figure 1: - un circuit oscillant connecté aux bornes du composant 3, et comportant une inductance L et un condensateur Cl, - un élément dit de branchement, constitué en l'occurrence par une diode Dl, et permettant de connecter le condensateur de réserve d'énergie C2 aux bornes de l'inductance L du circuit oscillant une fois que, à la mise en conduction du composant 3, l'énergie stockée dans le condensateur Cl dudit35 circuit oscillant (pendant les périodes de blocage du composant 3) a été transférée vers l'inductance L du circuit oscillant. Lesdits moyens supplémentaires pour alimenter le circuit de commande 2 au démarrage comportent, dans l'exemple illustré sur la figure 1, un circuit de charge du condensateur de réserve d'énergie C2 pendant les périodes de blocage du composant 3, ce circuit de charge étant lui-même constitué par un circuit connecté aux bornes du composant 3 et comportant, outre le condensateur C2, une résistance R2,10 et une diode D2. Lesdits moyens de régulation de tension comportent, dans l'exemple illustré sur la figure 1, une diode Zener DZ1 et une résistance R3. Le circuit de commande 2, qui a en l'occurrence deux états de consommation possibles, est alimenté à l'aide de deux circuits: - un premier circuit constitué de la résistance R2 et de la diode D2 associées aux moyens de régulation de tension R3, DZ1; ce circuit est parcouru par un courant dit de faible20 consommation pendant les périodes de blocage du composant 3 et permet le maintien du système en stand-by (attente d'un ordre de mise en conduction); - un second circuit constitué du condensateur C2 associé aux moyens de régulation R3-DZ1; ce circuit fournit: * le courant de forte consommation au moment de la mise en conduction du composant 3, * le courant de faible consommation durant les périodes de conduction du composant 3. Le fait que ce dispositif d'alimentation comporte en outre des moyens pour charger le condensateur de réserve d'énergie C2 pendant les périodes de conduction du composant 3, autorise à choisir pour cette résistance R2 une résistance de forte valeur, et donc à minimiser les pertes dues à une désadaptation éventuelle entre la valeur du35 courant de faible consommation et la valeur du courant circulant dans cette résistance. Le fait que ce dispositif d'alimentation comporte en outre de tels moyens pour charger le condensateur de réserve d'énergie C2 pendant les périodes de conduction du composant permet en outre une auto- adaptation du système qui transfère 5 à chaque commutation l'énergie dont il a besoin, et autorise un fonctionnement dans lequel les périodes de blocage du composant sont relativement courtes (hormis bien entendu celle de ces périodes de blocage qui précède le démarrage, qui est plus longue, et qui permet de ce fait une charge du10 condensateur C2, par l'intermédiaire de son circuit de charge pendant les périodes de blocage, suffisante pour assurer la première mise en conduction du composant). Le fonctionnement des moyens pour charger le condensateur de réserve d'énergie C2 pendant les périodes de conduction dudit composant est maintenant expliqué en relation avec les figures 1 et 2. Lorsque le composant 3 se ferme, le condensateur C1 (qui se charge à travers ledit circuit oscillant pendant les périodes o le composant est bloqué) se décharge à travers l'inductance L selon un régime oscillant. Le courant I dans l'inductance L est alors une portion d'arche de sinusoïde de demi-période T/2= w.IE.CI. La tension VC1 aux bornes du condensateur Cl, notée VC1, aurait tendance à s'inverser. Mais à t=tl, VC1 atteint VC2 (o VC2 désigne la tension25 aux bornes du condensateur C2, et VA désigne la tension d'alimentation obtenue aux bornes de la diode Zener DZ1, avec VC2 voisin de VA) et la diode D1 se met à conduire. L'inductance L se démagnétise alors par la maille L - D1 - C2. Cette démagnétisation s'effectue sous une tension30 constante en première approximation et le courant dans l'inductance L décroît linéairement jusqu'à s'annuler. A t= tl + t2, le courant dans l'inductance L est nul et toute l'énergie initialement stockée dans le condensateur Cl (soit 1/2.C1.E2, o E désigne la tension apparaissant aux35 bornes du composant à l'état bloqué) a été transférée dans le condensateur C2. La puissance correspondante fournie par ce dispositif d'alimentation est donc: Pa=1/2.Cl.E2.f (o f désigne la fréquence de commutation du composant). Chaque commutation du composant déclenche ainsi une recharge du condensateur de réserve d'énergie C2 et on apporte à chaque mise en conduction l'énergie nécessaire à la commande. Dans de nombreux cas d'application, la tension de blocage E du composant varie à l'intérieur d'une plage assez vaste (cas de la traction électrique par exemple). La capacité du condensateur Cl doit donc être calculée pour apporter l'énergie nécessaire à la mise en conduction du composant dans le cas o la tension E est minimale (égale à15 Emin). La puissance à fournir par le circuit de commande étant égale à: Pg = VA2. Ce.f o Ce désigne la capacité d'entrée du composant, la capacité du condensateur Cli doit donc vérifier la relation: C1=2.Ce (VA/Emin)2. Par contre, pour une tension E supérieure à Emin, le surplus d'énergie qui croit comme le carré de la tension doit être dissipé dans le circuit d'alimentation ce qui est25 en particulier pénalisant pour le régulateur DZ1. On peut cependant limiter les pertes dans le régulateur DZ1 en utilisant la saturation de l'inductance L et en prévoyant en outre dans ledit circuit oscillant une résistance R1 de valeur choisie égale ou proche de la30 résistance critique R1=2. Lsat / Cl du circuit oscillant formé des éléments Lsat (valeur à l'état saturé de L) et Cl, afin d'avoir un régime amorti de ce circuit lorsque l'inductance L est saturée. Ainsi pour E=Emin, l'inductance L est dimensionnée de façon à ce que le transfert de l'énergie du condensateur Cl vers l'inductance L ait lieu avant la saturation de cette dernière; la résistance Ri est alors très loin de la valeur de la résistance critique du circuit et le régime est oscillant. Par contre pour E>Emin, la valeur de l'inductance L chute et le régime du circuit est amorti, le surplus d'énergie étant dissipé dans la résistance R1. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'alimentation de circuit de commande (2) de composant interrupteur de puissance (3), à partir de la tension apparaissant aux bornes de ce composant à l'état 5 bloqué, dispositif comportant un condensateur de réserve d'énergie (C2), caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (L, Cl, Dl) pour charger ledit condensateur de réserve d'énergie pendant les périodes de conduction dudit composant.10 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour charger le condensateur de réserve d'énergie pendant les périodes de conduction dudit composant comportent: - un circuit oscillant (L, C1) connecté aux bornes dudit composant, - un élément dit de branchement (D1) permettant de connecter ledit condensateur de réserve d'énergie (C2) aux bornes de l'inductance (L) dudit circuit oscillant une fois que, à la mise en conduction dudit composant, l'énergie stockée dans20 le condensateur (Ci) dudit circuit oscillant, pendant les périodes de blocage dudit composant, a été transférée dans ladite inductance (L). 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens supplémentaires (R2, D2, C2) pour alimenter ledit circuit de commande au démarrage. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens supplémentaires pour alimenter ledit circuit de commande au démarrage comportent des moyens pour30 charger ledit condensateur de réserve d'énergie (C2) pendant les périodes de blocage dudit composant. / Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, ledit circuit de commande présentant deux états de consommation possibles, l'un de forte35 consommation, aux instants de mise en conduction dudit composant, et l'autre de faible consommation, en dehors de ces instants, ce dispositif comporte en outre un premier circuit d'alimentation (R2, D2, R3, DZ1) connecté aux bornes dudit composant et fournissant un courant dit de faible consommation pendant les périodes de blocage dudit 5 composant, et un second circuit d'alimentation (C2, R3, DZ1) connecté aux bornes dudit condensateur de réserve d'énergie et fournissant un courant dit de forte consommation aux instants de mise en conduction dudit composant ou de faible consommation pendant les périodes de conduction dudit10 composant. 6/ Dispositif selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ledit premier circuit d'alimentation inclut lesdits moyens pour charger le condensateur de réserve d'énergie pendant les périodes de blocage dudit composant.15 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (R3, DZ1) de régulation de tension, fournissant la tension d'alimentation dudit circuit de commande à partir de la tension aux bornes dudit condensateur de réserve d'énergie.20 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, la valeur de la tension apparaissant aux bornes du composant à l'état bloqué étant susceptible de varier dans une certaine plage, l'inductance (L) dudit circuit oscillant est dimensionnée de façon à ce que le25 transfert de l'énergie du condensateur (Cl) de ce circuit oscillant vers cette inductance (L) ait lieu avant la saturation de cette dernière, pour la valeur minimale de cette tension, et après la saturation de cette dernière pour une valeur de cette tension supérieure à cette valeur30 minimale, et en ce que ledit circuit oscillant comporte en outre une résistance (R1i) de valeur égale ou proche de la résistance critique de ce circuit oscillant pour la valeur à l'état saturé de ladite inductance (L).