Brevet FR2727586A1 — publié le 19960531

La présente invention concerne un circuit de commande pour un interrupteur à semi-conducteur, comprenant un étage transformateur pour générer des signaux de tension alternative qui comportent à la fois une énergie de commande et des informations de commande, un étage redresseur pour redresser les signaux de tension alternative générés par l'étage transformateur, afin de générer des niveaux de tension continue appropriés pour commuter l'interrupteur à semi- conducteur de l'état bloqué à l'état passant et de l'état passant à l'état bloqué, une première résistance reliée par sa première extrémité à une électrode de commande de l'interrupteur à semi- conducteur, une seconde résistance branchée entre l'électrode de commande et l'émetteur - ou électrode source - de l'interrupteur à semi-conducteur, et un interrupteur survolteur à semi-conducteur branché entre l'électrode de commande de l'interrupteur à semi-conducteur et une sortie à tension continue générée par l'étage redresseur, et qui est prévu pour la commutation de l'état passant à l'état bloqué de l'interrupteur à semi-conducteur, l'électrode de commande du semi- conducteur survolteur étant reliée à une sortie à tension continue générée par l'étage redresseur et prévue pour commander l'interrupteur survolteur à semi-conducteur. Le circuit de commande de l'invention est destiné, en particulier, à la commande de petits composants de commutation statique de type IGBT (transistor à grille isolée) ou FET (transistor à effet de champ) utilisés dans les convertisseurs de fréquence et autres dispositifs similaires. Ces composants de commutation statique sont désignés ci- après, d'une façon générale, par l'expression -2- "composants de puissance". Des circuits de commande permettant de commander des composants de puissance de ce type sont connus par l'antériorité, par exemple par la spécification de brevet U.S. n 5 168 182 et par la demande de brevet européen n 561 316. Les solutions qui y sont décrites reposent également sur la transmission directe, à partir d'un transformateur, d'une énergie de commutation de l'état bloqué à l'état passant. Toutefois, ces deux solutions sont caractérisées par le fait que la tension de l'électrode de commande, appelée ci- après la grille, du composant de puissance à commander n'est pas stabilisée en cas de court-circuit. De plus, la solution connue par la spécification de brevet U.S. nO 5 168 182 est caractérisée par le fait que la commutation du composant de puissance de l'état passant à l'état bloqué s'effectue uniquement en portant le potentiel de la grille à un niveau proche du potentiel de l'émetteur du composant de puissance. Dans la solution décrite dans la demande de brevet européen n 561 316, un potentiel négatif par rapport au potentiel de l'émetteur du composant de puissance est utilisé pour la commutation de l'état passant à l'état bloqué. Pour générer ce potentiel négatif, un accumulateur d'énergie est toutefois nécessaire, par exemple un condensateur dans lequel l'énergie nécessaire à la commutation de l'état passant à l'état bloqué doit être stockée au préalable. De plus, le condensateur utilisé comme accumulateur d'énergie est, typiquement, du type à électrolyte et sa durée de vie est considérablement réduite lorsqu'il est placé à proximité d'un composant de puissance et, par conséquent, dans un environnement chaud. Par ailleurs, s'il est placé à distance, il en résulte une inductance de fuite - 3 - importante. En outre, le circuit de commande en question peut être considéré comme présentant une faiblesse, par le fait que le niveau de la tension de commutation de l'état passant à l'état bloqué est le même que celui de la tension de commutation de l'état bloqué à l'état passant, ce qui a pour conséquence de ralentir les opérations successives de commutation de l'état bloqué à l'état passant, étant donné que le potentiel de la grille du composant de puissance doit être porté à une valeur négative correspondant à la valeur de la pleine tension de commutation de l'état bloqué à l'état passant, entre des commutations successives de l'état bloqué à l'état passant. Une autre faiblesse dudit circuit est la lenteur de l'amorçage de la commutation de l'état passant à l'état bloqué, étant donné que la commutation de l'état passant à l'état bloqué d'un composant de puissance ne peut avoir lieu que lorsque la capacité de grille du FET utilisé comme composant interrupteur survolteur à semi-conducteur a été chargée à travers une résistance de forte valeur spécifique et a atteint un niveau de tension suffisant. L'objet de la présente invention est de fournir un circuit de commande pour un interrupteur à semi-conducteur qui ne présente aucune des faiblesses susdites des circuits de commande des solutions antérieures. Ceci est obtenu avec le circuit de commande de l'invention, qui est caractérisé par le fait qu'il comporte, en outre, une diode Zener branchée entre la seconde extrémité de la première résistance et une sortie à courant continu générée par l'étage redresseur et servant à la commutation de l'état bloqué à l'état passant de l'interrupteur à semi-conducteur et une diode branchée dans le sens - 4 - direct entre la sortie de la tension de commutation de l'état passant à l'état bloqué de l'étage redresseur et l'émetteur - ou électrode source - de l'interrupteur à semi-conducteur. Il y a lieu de préciser que la diode et la diode Zener, dans le cas présent, ne se réfèrent pas uniquement aux composants discrets correspondant à ces termes, mais à tout composant ou ensemble de composants assurant une fonction correspondante, et qu'ils peuvent être des composants discrets ou faire partie d'un circuit intégré. Du fait du couplage utilisé, une énergie de commutation de l'état passant à l'état bloqué peut être fournie en permanence à la grille du composant de puissance par l'étage transformateur, de l'extérieur, et aucune accumulation d'énergie n'est nécessaire, ce qui supprime par le même fait les problèmes thermiques inhérents à ces stockages d'énergie. Même en l'absence d'accumulation d'énergie, la commutation de l'état passant à l'état bloqué s'amorce rapidement par le fait que la charge de la grille due à la commutation de l'état bloqué à l'état passant du composant de puissance se décharge rapidement à une vitesse qui n'est limitée que par les valeurs d'impédance de ces composants. Un circuit de commande comporte en outre, de préférence, une diode Zener et une diode couplée en sens direct, associées en série entre l'électrode de commande de l'interrupteur à semi-conducteur et l'électrode de commande de l'interrupteur survolteur à semi-conducteur. Grâce à ce circuit, il est possible d'éviter tout accroissement excessif de la -5- tension de commutation de l'état bloqué à l'état passant, ainsi que la destruction de l'interrupteur à semi-conducteur qui résulterait de cette situation. Le circuit comporte en outre, de préférence, une troisième résistance branchée entre l'interrupteur survolteur à semi- conducteur et la sortie à courant continu servant à la commutation de l'état passant à l'état bloqué de l'interrupteur à semi-conducteur. En utilisant une résistance de ce type, de préférence de faible valeur spécifique, le pic de courant produit par la décharge de potentiel de grille de l'interrupteur à semi-conducteur peut être limité à la valeur souhaitée. L'un des principes de base du circuit de commande de l'invention est le fait que des niveaux de tension continue différents sont disponibles. A cet effet, l'étage transformateur utilisé dans le circuit de commande comporte, de préférence, un premier transformateur fournissant la tension à redresser pour obtenir la tension de commutation de l'état bloqué à l'état passant et la tension de commande de l'interrupteur survolceur à semi- conducteur, le second pôle de l'enroulement secondaire du premier transformateur et le point milieu de l'enroulement secondaire du second transformateur étant reliés ensemble ainsi qu'à l'émetteur - ou électrode source - de l'interrupteur à semi- conducteur, pour constituer un potentiel de référence. Le circuit de commande de l'invention est décrit en détail ci-après, en se référant aux dessins d'accompagnement, dans lesquels, -6- la Fig. 1 représente un schéma électrique de circuit de commande de l'invention, et la Fig. 2 représente un schéma électrique de circuit de commande de l'invention servant à la commande de deux interrupteurs à semi- conducteur, les interrupteurs étant mis alternativement à l'état passant. La Fig. 1 représente, à titre non limitatif, le schéma électrique d'une forme de réalisation d'un circuit de commande de l'invention. Ce circuit de commande est utilisé pour la commande d'un composant de puissance SW1, qui est typiquement un composant IGBT ou FET et, dans le cas présent, un composant IGBT. Le couplage est particulièrement approprié lorsque le courant nominal allant de l'émetteur au collecteur, ou de la source au collecteur, n'excède pas 25 A. Le circuit représenté sur la Fig. 1 comprend un étage transformateur constitué par les transformateurs T1 et T2, les tensions alternatives qu'ils génèrent étant redressées par deux ponts redresseurs DB1 et DB2 pour donner des niveaux de tension continue appropriés à la commande du composant de puissance SW1. Les transformateurs T1 et T2 fournissent au composant de puissance SW1 à la fois les informations de commande et l'énergie de commande. Le composant de puissance SW1 est commuté de l'état bloqué à l'état passant et inversement par deux signaux carrés push-pull (commutation de l'état bloqué à l'état passant, commutation de l'état passant à l'état bloqué) qui, à la fois en phase et en opposition, commandent respectivement -7- l'enroulement primaire des transformateurs T1 et T2. Les points milieux des enroulements primaires des transformateurs sont reliés à un potentiel de + 15 V, et les extrémités libres des enroulements sont mises alternativement au potentiel de la terre par l'intermédiaire des FET F1 à F4 commandés par les signaux respectifs de commutation de ''état bloqué à l'état passant et de commutation de l'état passant à l'état bloqué. Les enroulements secondaires des transformateurs génèrent des signaux correspondant à la commande appliquée, ces signaux étant redressés par les ponts redresseurs DB1 et DB2 pour donner, respectivement, la tension Ul et les tensions U2 et U3. La tension Ul est obtenue à partir de l'un des pôles du transformateur T1, le second pôle étant relié au potentiel de référence, portant le repère 0V. Le point milieu de l'enroulement secondaire du second transformateur T2 ainsi que l'émetteur du composant de puissance SW1 sont également reliés à ce potentiel de référence. La tension U2 est redressée à partir de l'un des pôles du second transformateur TF2 et la tension U3 à partir de l'autre pôle. Ces tensions U2 et U3 sont de signe opposé par rapport au potentiel de référence OV au point milieu de l'enroulement secondaire. A l'amorçage de la commutation de l'état bloqué à l'état passant, la tension U1 croît rapidement jusqu'à une valeur de 20 V environ et, par conséquent, la capacitance de grille du composant de puissance SW1 commence à se charger sous l'effet du courant traversant la diode Zener V2 et la résistance de grille R2. La valeur indiquée sur la diode Zener est de 4,7 V. Le composant de puissance SW1 commute de l'état bloqué à l'état passant en 1 ms environ et - 8 - le courant de grille commence à décroître et s'approche de zéro. L'électrode de commande, c'est-à- dire la grille du composant de puissance SW1, est reliée au potentiel U3 par l'intermédiaire de la résistance R3 et du FET V1 servant d'interrupteur survolteur à semi-conducteur. De plus, l'électrode de commande du composant de puissance SW1 est reliée, par l'intermédiaire d'une diode Zener V3 de 12 V et d'une diode V5, au potentiel U2, qui est lui-même appliqué à l'électrode de commande du FET V1. Du fait de ce couplage, s'il advient que la tension de grille du composant de puissance SW1 dépasse la valeur de V environ, le FET Vl devient passant. Il est alors traversé par un courant et la diode V4 couplée entre le potentiel U3 et le potentiel de référence OV empêche tout accroissement supplémentaire du potentiel. Par conséquent, la tension de grille du composant de puissance ne peut pas excéder ladite tension de 15 V environ. Pour la même raison, si le composant de puissance est mis en court-circuit, la grille ne peut pas être portée à un potentiel supérieur au potentiel en question. En cas de court- circuit, il est possible de supprimer d'abord la commande de la commutation de l'état bloqué à l'état passant et de rendre passant le composant de puissance "en douceur" au moyen de la résistance R1 et de ne passer qu'ensuite à la commutation brusque de l'état passant à l'état bloqué. La résistance R1 est branchée entre les électrodes de grille et d'émetteur du composant de puissance. A l'amorçage de la commutation de l'état passant à l'état bloqué, la tension continue U2 de la grille du FET Vl monte rapidement au niveau + 5V, à la suite de quoi le FET Vl devient passant. De ce - 9 - fait, la tension de source U3 du FET Vl tend simultanément à redescendre à - 5V, mais le courant généré augmente initialement la tension de source en question jusqu'à une valeur positive correspondant à la valeur de la tension directe de la diode V4. La tension de grille du composant de puissance SW1 ne diminue initialement que sous l'effet du courant limité par la résistance interne du FET Vl et qui traverse la diode V4. L'intensité de ce courant est limitée, en outre, par la résistance faible R3 du circuit représenté sur la Fig. 1, cette résistance étant branchée entre l'électrode de source du FET Vl et le potentiel U3. 200 ns environ après l'amorçage de la commutation de l'état passant à l'état bloqué, la tension de grille du composant de puissance est au potentiel de l'émetteur, puis diminue jusqu'à atteindre le niveau - 5 V, puisque la diode Zener V2 empêche le passage du courant dans le pont redresseur DB1 et dans l'enroulement secondaire du transformateur T1. Sans la présence de la diode Zener V2, le potentiel de la grille ne pourrait pas atteindre ce niveau négatif. En outre, la saturation magnétique du transformateur T1 est évitée sous l'effet du courant direct. La résistance R1, branchée entre la grille du composant de puissance SW1 et l'émetteur, maintient la grille du composant de puissance au potentiel de l'émetteur et le composant à l'état bloqué, en l'absence de potentiel de survoltage et de signaux de commande. La Fig. 2 représente une solution permettant, avec le circuit de commande de la Fig. 1, de commander une branche entière, c'est-à-dire lorsque - 10 - le nombre de composants de puissance à semi- conducteur est égal à deux, c'est-à-dire lorsque les composants de puissance SW1 et SW2 sont commutés alternativement à l'état passant. Les circuits de commande des deux composants de puissance sont semblables à ceux que représente la Fig. 1 et leur fonctionnement est tel que décrit précédemment, l'étage transformateur et ses commandes n'étant toutefois pas en double. Le circuit représenté sur la Fig. 2 permet, par rapport à une configuration double, d'économiser deux transformateurs et leurs commandes. A cet effet, lorsqu'un signal de commande commute de l'état bloqué à l'état passant le composant de puissance de la branche supérieure, il génère en même temps une tension qui commute de l'état passant à l'état bloqué le composant de puissance de la branche inférieure. De façon similaire, l'autre transformateur génère les niveaux de tension requis pour la commutation de l'état passant à l'état bloqué de l'un des composants de puissance et, par conséquent, les niveaux de tension requis pour la commutation de l'état bloqué à l'état passant de l'autre composant de puissance. Etant donné que, dans le circuit de l'invention, la commutation de l'état passant à l'état bloqué d'un composant de puissance est beaucoup plus rapide que la commutation de l'état bloqué à l'état passant, un composant de puissance peut être commuté de l'état passant à l'état bloqué avant que l'autre composant de puissance, commandé par le même signal de commande, ne soit commuté de l'état bloqué à l'état passant, ce qui évite l'amorçage de la branche. Si, à un instant donné, les deux composants de puissance sont commandés simultanément, les deux composants de puissance sont commutés de l'état passant à l'état - 11 - bloqué. Ceci est dû au fait que les grilles des deux interrupteurs survolteurs à semi-conducteur se mettent à l'état commandé, et donc à l'état conducteur. Dans ce cas, le courant qui les traverse augmente à un point tel que l'enroulement du transformateur qui fournit l'énergie de commutation de l'état bloqué à l'état passant ne peut pas maintenir la tension de grille du composant de puissance et celle-ci chute en bloquant le composant. La commande peut être coupée simultanément sur les deux composants de puissance après quelques dizaines de microsecondes. Il en résulte que les composants de puissance restent à l'état bloqué comme décrit précédemment, sous l'effet de la résistance branchée entre la grille et l'émetteur des composants. Comme indiqué ci-avant, dans le circuit de commande de l'invention, l'énergie requise pour la commutation de l'état bloqué à l'état passant du composant de puissance est appliquée directement par le transformateur à partir du circuit primaire et aucun stockage d'énergie n'est nécessaire pour le potentiel d'émetteur du composant de puissance. Etant donné que la solution de l'invention ne met en oeuvre ni condensateur électrolytique ayant une résistance à la chaleur relativement faible, ni aucun autre composant sensible à la chaleur, le circuit de commande de l'invention peut également être placé dans un environnement chaud sans diminuer sa durée de vie. En résumé, le circuit de commande de l'invention, du fait de l'étage transformateur, se caractérise par le fait que le circuit de commande assure une isolation galvanique totale jusqu'à un - 12 - niveau de tension arbitraire, qu'aucune alimentation séparée n'est requise pour le circuit de commande de grille, que le composant de puissance est commuté de l'état passant à l'état bloqué par une tension de grille négative, qu'une commutation de l'état passant à l'état bloqué "en douceur" est possible en cas de court-circuit, que la régulation de la tension de commutation de l'état bloqué à l'état passant et la limitation de la tension de grille s'effectuent automatiquement en cas de court-circuit et que la commutation de l'état passant à l'état bloqué se fait bien plus rapidement que la commutation de l'état bloqué à l'état passant et que, du fait du temps mort qui en résulte, un étage de puissance en montage push-pull ne peut pas être mis en court-circuit. Le circuit de commande d'un interrupteur à semi-conducteur de l'invention a été décrit ci- dessus, à titre non limitatif, au moyen d'une seule forme de réalisation, mais il est bien entendu que quelques modifications peuvent lui être apportées sans sortir du cadre de la protection qui résulte des revendications annexées. Ainsi, le composant IGBT, utilisé comme composant de puissance dans cette description, peut être un FET. De même, des commutateurs statiques autres que le FET représenté sur les figures peuvent convenir en tant qu'interrupteur survolteur à semi-conducteur. - 13 - REVENDICATIONS 1. Circuit de commande pour un interrupteur à semi-conducteur, comprenant un étdge transformateur (T1, T2) pour générer des signaux de tension alternative qui comportent à la fois une énergie de commande et des informations de commande, un étage redresseur (DB1, DB2) pour redresser les signaux de tension alternative générés par l'étage transformateur (T1, T2), afin de générer des niveaux de tension continue (U1, U2, U3) appropriés pour commuter l'interrupteur à semi- conducteur (SW1) de l'état bloqué à l'état passant et de l'état passant à l'état bloqué, une première résistance (R1) reliée par sa première extrémité à une électrode de commande de l'interrupteur à semi- conducteur (SW1), une seconde résistance (R2) branchée entre l'électrode de commande et l'émetteur - ou électrode source - de l'interrupteur à semi-conducteur (SW1), et un interrupteur survolteur à semi-conducteur (Vl) branché entre l'électrode de commande de l'interrupteur à semi-conducteur (SW1) et une sortie à tension continue (U3) générée par l'étage redresseur et qui est prévu pour la commutation de l'état passant à l'état bloqué de l'interrupteur à semi-conducteur, l'électrode de commande de l'interrupteur survolteur à semi-conducteur (Vl) - 14 - étant reliée à une sortie à tension continue (U2) générée par l'étage redresseur et prévue pour commander l'interrupteur survolteur à semi- conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, une diode Zener (V2) branchée entre la seconde extrémité de la première résistance (R1) et une sortie à courant continu (U1) générée par l'étage redresseur et servant à la commutation de l'état bloqué à l'état passant de l'interrupteur à semi- conducteur (SW1), et une diode (V4) branchée dans le sens direct entre la sortie de la tension (U3) de commutation de l'état passant à l'état bloqué de l'étage redresseur et l'émetteur - ou électrode source - de l'interrupteur à semi-conducteur (SW1). 2. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une diode Zener (V3) et une diode (V5) couplée en sens direct, associées en série entre l'électrode de commande de l'interrupteur à semi-conducteur (SW1) et l'électrode de commande de l'interrupteur survolteur à semi- conducteur (Vl). 3. Circuit de commande selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une troisième résistance (R3) branchée entre l'interrupteur survolteur à semi- conducteur (V1) et la sortie à courant continu (U3) servant à la commutation de l'état passant à l'état bloqué de l'interrupteur à semi-conducteur. - 15 - 4. Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étage transformateur comprend un premier transformateur (T1) fournissant la tension à redresser pour obtenir la tension de commutation de l'état bloqué à l'état passant (Ul) et un second transformateur (T2) fournissant les tensions à redresser pour obtenir la tension de commutation de l'état passant à l'état bloqué (U3) et la tension de commande (U2) de l'interrupteur survolteur à semi- conducteur (Vl) et en ce que le second pôle de l'enroulement secondaire du premier transformateur (T1) et le point milieu de l'enroulement secondaire du second transformateur (T2) sont reliés ensemble ainsi qu'à l'émetteur ou électrode source - de l'interrupteur à semi- conducteur, pour constituer un potentiel de référence (0V).