Brevet FR2735299A1 — publié le 19961213

"Interrupteur statique à protection intégrée" L'invention se rapporte à un interrupteur statique à protection intégrée contre les surintensités, à disposer en série avec une charge entre les pôles d'une source de tension, comportant au moins un élément semi-conducteur comprenant un espace de conduction entre une électrode d'entrée et une électrode de sortie, avec des caractéristiques courant/tension entre entrée et sortie présentant un coude en deçà duquel l'élément est saturé, et au-delà duquel l'élément se désature, et une électrode de commande de l'état de l'espace de conduction, cette électrode de commande étant reliée à la sortie d'un générateur de paramètre de commande délivrant deux niveaux, bas et haut de paramètre de commande o le semi-conducteur est respectivement bloquant et passant. Les éléments semi-conducteurs qui répondent à la définition donnée cidessus sont essentiellement les transistors bipolaires, les transistors MOS (semi-conducteurs métal-oxyde), et les transistors bipolaires à grille isolée IGBT, qui empruntent aux transistors bipolaires classiques leur structure à espace émetteur- collecteur, et aux MOS leur grille isolée pour commander le passage du courant avec une puissance de commande très réduite. Ce groupe présente en commun que le courant entre électrodes d'entrée et de sortie (émetteur et collecteur pour les transistors bipolaires et IGBT, source et drain pour les MOS) est commandé de façon réversible par le paramètre appliqué à l'électrode de commande (courant de base pour le transistor bipolaire, tension grille pour les MOS et IGBT), ce qui permet d'interrompre positivement la circulation du courant dans l'espace de conduction, à la différence des thyristors et triacs qui doivent être amorcés au début de chaque période de conduction, et ne deviennent bloquants qu'après une interruption extérieure et en l'absence de réamorçage. On observera que les thyristors à coupure par la gâchette peuvent être désamorcés par application d'une impulsion appropriée pour un courant traversant normal. Mais la puissance de cette impulsion croît avec le courant à couper, de sorte que les surintensités ne peuvent être coupées avec fiabilité. La protection suppose que les surintensités soient décelées par un capteur, et que celui-ci provoque le blocage du semi-conducteur, et la coupure de l'interrupteur. Par protection intégrée on entendra une disposition o l'élément semi-conducteur fait office de capteur. Un avantage de cette disposition réside dans le fait que les pertes dans le capteur ne viennent pas s'ajouter aux pertes dans l'élément semi-conducteur qui fait interrupteur. Pratiquement les surintensités sont décelées par les surtensions qu'elles provoquent aux bornes du capteur, soit, avec une protection intégrée, entre les électrodes d'entrée et de sortie du semi-conducteur. Le document de brevet FR-A-2 700 647 décrit un interrupteur statique à protection intégrée constitué d'un transistor IGBT dans lequel un circuit de rétroaction pilote la tension de commande émetteur-grille pour stabiliser la chute de tension émetteur- collecteur, les surintensités étant alors décelées par le dépassement d'un seuil par la tension de commande. On comprend que, en régime normal de conduction, on doit rechercher la minimisation des pertes, donc une tension de déchet aussi faible que possible, compte tenu des capacités de l'élément semi-conducteur, ce qui implique que cet élément semi-conducteur soit saturé, le niveau haut du paramètre appliqué à l'électrode de commande étant suffisamment élevé. Mais en régime de saturation, la chute de tension interne dans l'élément semi-conducteur augmente peu lorsque croit le courant traversant, tant que l'on reste en deçà du coude qui traduit la désaturation. On ne décèle donc d'augmentation significative de la tension de déchet que lors de surintensités très supérieures au courant normal, qui entraînent une excursion du point de fonctionnement qui atteint ou dépasse le coude de caractéristique. Et si l'on décale le point de fonctionnement en régime normal (en réduisant le paramètre de commande) pour déceler des surintensités proportionnellement plus faibles, on augmente les pertes dans le semi-conducteur. L'invention a pour but la réalisation d'un interrupteur statique à protection intégrée de conception simple, o les pertes sont faibles, et qui présente un seuil de coupure pour des surintensités proches du courant de fonctionnement à charge maximale nominale. Ce but est atteint par un interrupteur statique à protection intégrée contre les surintensités, à disposer en série avec une charge entre les pôles d'une source de tension, comportant au moins un élément semiconducteur comprenant un espace de conduction entre une électrode d'entrée et une électrode de sortie, avec des caractéristiques courant/tension entre entrée et sortie présentant un coude en deçà duquel l'élément est saturé, et au-delà duquel l'élément se désature, et une électrode de commande de l'état de l'espace de conduction, cette électrode de commande étant reliée à la sortie d'un générateur de paramètre de commande délivrant deux niveaux, bas et haut, de paramètre de commande o le semi-conducteur est respectivement bloquant et passant, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen voltmétrique relié en entrée aux électrodes d'entrée et de sortie et sensible à un dépassement d'un seuil de la tension en entrée, seuil réglé au-delà du coude pour le niveau haut, pour émettre, à destination du générateur de paramètre de commande, un signal de mise à l'état bas, le générateur de paramètre de commande étant apte à délivrer périodiquement à l'électrode de commande, une impulsion brève, en soustraction du niveau haut. On comprend qu'ainsi, durant la majorité du temps de conduction le semi-conducteur est efficacement saturé, et ses pertes sont faibles, la tension de déchet restant faible. Mais pendant la durée des impulsions périodiques délivrées par le générateur de paramètre de commande, le coude de caractéristique est déplacé vers les courants plus faibles, de sorte qu'une surintensité, même peu importante, provoque une chute de tension importante dans l'espace de conduction, le semi-conducteur étant désaturé temporairement. La brièveté de l'impulsion, pendant laquelle les pertes sont importantes, a pour effet que l'énergie dégradée est réduite, de sorte que les pertes globales dans l'élément semi-conducteur sont peu augmentées. Un réglage approprié de la hauteur de l'impulsion retranchée du niveau haut du générateur de paramètre de commande (état passant) permet d'atteindre un niveau de tension de déchet qui provoque la commutation du paramètre de commande à l'état bas, et en conséquence la coupure de la surintensité, telle que la discrimination du seuil de coupure s'opère dans une zone étroite. Avec une source de tension continue, la fréquence de récurrence des impulsions et leur durée seront déterminées pour tenir compte de la valeur maximale des surintensités à prévoir, et de la capacité thermique de l'élément semi-conducteur (pour qu'il ne soit pas détruit par une surintensité très forte survenant juste après une impulsion). Avec une source de tension alternative, la fréquence de récurrence des impulsions sera liée à la fréquence de la source. Aussi, de préférence, un interrupteur statique pour tension alternative comportera deux éléments semi-conducteurs montés en série reliés par leurs électrodes d'entrée et chacun avec une diode montée tête- bêche entre les électrodes d'entrée et de sortie, les électrodes de commande étant attaquées en parallèle par le générateur de paramètre de commande tandis que le moyen voltmétrique est attaqué en entrée par la tension entre électrodes de sortie, les impulsions délivrées par le générateur de paramètre de commande étant synchronisées sur les crêtes de la tension entre électrodes de sortie. La structure ainsi définie de la cellule de commutation est classique pour commander les deux demi-alternances de la tension alternative, le courant passant, à chaque demi-alternance par l'élément semi-conducteur qui est dans le sens passant, et par la diode montée entre les électrodes d'entrée et de sortie de l'autre élément semi- conducteur. Par ailleurs, on comprend qu'il est avantageux que les impulsions soient synchrones des crêtes de tension de déchet, qui correspondent aux crêtes de courant traversant, les impulsions résultantes de tension de déchet étant alors maximales. En fait, la synchronisation des impulsions n'est pas obtenue directement en détectant les crêtes de la tension de déchet, celles-ci étant susceptibles de varier en amplitude avec les conditions d'utilisation de l'interrupteur, notamment courant traversant et la présence d'une impulsion de tension de déchet créant des risques d'interférence. Aussi le générateur de paramètre de commande est-il sensible aux passages à zéro de la tension entre électrodes de sortie pour délivrer l'impulsion brève aux électrodes de commande avec un retard d'un quart de période de la tension alternative sur le passage à zéro précité. Des caractéristiques secondaires et des avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un interrupteur statique selon l'invention, pour une source à tension continue; - la figure 2 représente une caractéristique courant émetteur-collecteur d'un IGBT, convenant à la mise en oeuvre de l'invention; - la figure 3 est un diagramme explicatif du fonctionnement de l'interrupteur de la figure 1; - la figure 4 est un schéma d'un interrupteur selon l'invention, pour une source de tension alternative; la figure 5 est un diagramme explicatif du fonctionnement de l'interrupteur de la figure 4. Selon le mode de réalisation de l'invention choisi et représenté figure 1 d'un interrupteur statique, entre les pôles positif 1 et négatif 2 d'une source de tension continue sont montés en série une charge 3 et un transistor bipolaire à grille isolée 4 (IGBT), avec un collecteur 4a (électrode de sortie), un émetteur 4b (électrode d'entrée), une grille 4c (électrode de commande). Cette grille 4c est reliée à la sortie 5a d'un microprocesseur 5 programmé pour délivrer en sortie 5a un niveau bas (niveau de blocage de l'IGBT) lorsqu'une entrée 5b de ce microprocesseur est à l'état "0", et, lorsque cette entrée 5b est à l'état "1", un niveau haut tel que l'IGBT 4 soit passant et saturé pour tous les courants que peut supporter la charge 3. Bien entendu, les niveaux de tension délivrée par le microprocesseur sont mis en forme par un étage d'attaque adapté à la commande de l'interrupteur semi-conducteur. Cet étage est connu en soi, et n'est pas représenté pour la clarté de la figure. Ici le niveau bas est 0 volt et le niveau haut est de 15 volts. En outre, le microprocesseur 5, lorsque son entrée 5b est à l'état "1" émet périodiquement sur sa sortie 5a une impulsion brève qui vient se retrancher du niveau haut. Ici, par exemple l'impulsion a une fréquence de récurrence de 100 Hz, une durée de 1 ms et amplitude de 5 volts, soit un niveau de 10 volts. L'interrupteur statique comprend encore, l'émetteur 4b étant à la masse interne de l'interrupteur, un conducteur de prise de tension 9 relié au collecteur 4a de l'IGBT 4 qui attaque l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 7 à travers un limiteur d'excursion de tension 9a. L'amplificateur 7 est muni d'une rétroaction pour fonctionner en proportionnel. La sortie de l'amplificateur 7 attaque à travers un inverseur logique 7a l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 6 monté en comparateur pour émettre en sortie un état "1" lorsque la tension à l'entrée du comparateur est supérieure à un seuil fixé par un pont 8, et un état "0" lorsque cette tension est inférieure au seuil. On ajoutera que l'apparition d'un état "0" sur l'entrée 5b du microprocesseur 5 amène la sortie 5a à son niveau bas de façon irréversible, et que la remise en fonctionnement du microprocesseur 5 demande une action extérieure. Avant d'entreprendre la description du fonctionnement de l'interrupteur de la figure 1, on se reportera à la figure 2 qui donne les courbes caractéristiques courant collecteur/tension collecteurémetteur d'un IGBT, en fonction de la tension grille-émetteur. On voit que ces courbes comportent trois régions, 10 une région de saturation o le courant collecteur croît très vite avec la tension collecteur-émetteur, 12 une région o le courant collecteur devient sensiblement indépendant de la tension collecteur-émetteur, l'IGBT étant désaturé, et 11 une région de coude qui raccorde les régions 10 et 12. Par ailleurs, dans ces trois régions le courant collecteur est fonction de la tension grille-émetteur sensiblement dans la même proportion. Dans la figure 1, le paramètre de commande est la tension grille- émetteur VG appliquée à la grille 4c, et la tension du conducteur 9 par rapport à la masse est la tension collecteur-émetteur du transistor IGBT 4. Si l'on se rapporte à la figure 3, le diagramme donne l'évolution dans le temps, à la partie inférieure, du paramètre ou tension de commande, avec un niveau haut 20, et des impulsions périodiques 21 qui viennent se retrancher du niveau haut 20, la dernière impulsion 21 étant suivie de l'annulation de la tension de commande, annulation qui correspond au niveau bas. Dans la partie médiane du diagramme on a représenté un courant collecteur IC croissant 22 jusqu'à un courant de déclenchement 23. La partie supérieure du diagramme présente la tension collecteur-émetteur VCE résultant de la combinaison de l'évolution de VG et de IC. On comprendra que la chute de tension dans le transistor reste faible devant la tension de source entre les pôles 1 et 2 (figure 1), de sorte que les impulsions au niveau 21 ne provoquent pratiquement pas de réduction de courant par rapport au niveau haut 20. Tant que le courant collecteur reste faible, dans la région de saturation, les niveaux de tension de commande 20 et 21 déterminent des tensions collecteur- émetteur 24 sensiblement égales et les impulsions en réduction de niveau sur la grille ne se traduisent pas par des accidents de VCE, puis le courant s'accroissant, des impulsions 25 commencent à apparaître sous forme d'un accroissement de la tension VCE, puis, alors que la tension VCE correspondant au niveau 20 s'accroît peu, les impulsions 25 croissent très vite, jusqu'à ce que le dépassement d'un niveau de seuil 26 provoque un état "0" à l'entrée du microprocesseur 5, et le blocage du transistor IGBT 4. On appréciera que l'invention permet d'obtenir une bonne précision de déclenchement sans que les pertes à charge maximale soient élevées. L'interrupteur statique de la figure 4 est prévu pour le cas plus fréquent d'une alimentation à tension alternative. La partie d'interrupteur proprement dite comporte deux transistors 33 et 34, ici des IGBT analogues à celui de la figure 1, montés en série entre la phase 30 et une charge 32, reliée au neutre 31. Les transistors 33 et 34 sont reliés par leurs électrodes d'entrée ou émetteurs 33b, 34b tandis que le collecteur 33a du transistor 33 est relié à la phase 30, et le collecteur 34a du transistor 34 est relié à la charge 32. Deux diodes 35 et 36 sont montées tête-bêche avec les transistors 33 et 34 entre leurs émetteurs et collecteurs, l'expression tête- bêche signifiant que les sens passant du transistor et de la diode associée sont à l'inverse. Ainsi, pendant une demi-alternance de la tension alternative, le courant traversera en série le transistor 33 et la diode 36, et pendant l'autre demi-alternance le transistor 34 et la diode 35. La partie commande comporte des éléments analogues à ceux de la figure 1. Notamment un microprocesseur 37 attaque par sa sortie 37a conjointement les grilles 33c et 34c des transistors 33 et 34 et est attaqué sur son entrée 37b par un comparateur 39. Mais le microprocesseur 37 est attaqué sur une entrée 37c par un détecteur de nullité de tension 38, disposé en dérivation sur un conducteur 47 relié au collecteur 34a du transistor 34. L'existence d'une tension nulle sur le conducteur 47 correspond à l'annulation du courant traversant l'interrupteur. Cela permet de synchroniser, avec un retard d'un quart de période de la tension de source, l'émission d'une impulsion en retranchement d'un niveau haut sur la sortie 37a du microprocesseur 37. L'impulsion sera alors synchrone des crêtes de courant à travers l'interrupteur. La détermination des tensions entre émetteurs et collecteurs se fait de la façon suivante: des conducteurs 46 et 47 sont respectivement reliés aux collecteurs 33a et 34a des transistors 33 et 34 et attaquent respectivement deux amplificateurs 42 et 43 semblables à l'amplificateur 7 de la figure 1, à travers des limiteurs d'excursion de tension 46a et 47a. En sortie des amplificateurs 42 et 43 sont disposées des diodes 44 et 45 en tête d'un sommateur, ou additionneur 48, de façon à ne retenir que les parties positives des tensions de sortie des amplificateurs 42 et 43. Ainsi on aura au point de sommation 48, et donc à l'entrée du comparateur 39, une succession de demi-ondes de tension correspondant respectivement aux demi-ondes de courant à travers l'interrupteur constitué par les transistors 33 et 34. Si l'on se reporte à la figure 5, le diagramme comporte à la partie inférieure l'évolution de la tension de commande de grille VGE, avec un niveau haut 50, et des impulsions 51 en retranchement du niveau 50. Ces impulsions sont synchronisées sur la crête de courant traversant, comme il vient d'être expliqué. A la partie supérieure du diagramme sont représentées les formes d'onde de tension au point de sommation 48. Les arcs que décrit cette tension sont très aplatis en raison de la forme de la caractéristique courant/tension dans la région de saturation 10 (figure 2). On a représenté trois niveaux de tension de crête 52a, 53a, 55a, correspondant à trois niveaux de courant respectivement faible, proche de la pleine charge, et faible surintensité. Sur les demi- ondes 52 il n'apparaît pas d'impulsion, sur les demi-ondes 53 apparaissent des impulsions 54 clairement visibles mais qui restent en deçà du seuil 57, tandis que sur la demi-onde 55 l'impulsion 56 dépasse le seuil 57, et provoque le blocage des transistors en synchronisme avec l'impulsion. L'invention a été décrite pour des transistors IGBT car ceux-ci travaillent avec des puissances de commande très faibles en comparaison avec les transistors bipolaires classiques, et sont nettement moins coûteux que les transistors MOS pour un même courant traversant au moins dans l'application décrite. Mais ces trois types de semi-conducteurs ayant des courbes caractéristiques analogues, en fonction de la valeur d'un paramètre de commande, pourront être utilisés pour la mise en oeuvre de l'invention, avec des aménagements à la portée d'un homme du métier. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution, dans le cadre des revendications. REVENDICATIONS 1- Interrupteur statique à protection intégrée contre les surintensités, à disposer en série avec une charge (3, 32) entre les pôles (1, 2; 30, 31) d'une source de tension, comportant au moins un élément semi- conducteur (4; 33, 34) comprenant un espace de conduction entre une électrode d'entrée (4b; 33b, 34b) et une électrode de sortie (4a; 33a, 34a), avec des caractéristiques courant/tension entre entrée et sortie présentant un coude en deçà duquel l'élément est saturé, et au-delà duquel l'élément se désature, et une électrode de commande (4c; 33c, 34c) de l'état de l'espace de conduction, cette électrode de commande étant reliée à la sortie d'un générateur de paramètre de commande (5, 37) délivrant deux niveaux, bas et haut (20, 50), de paramètre de commande o le semi-conducteur est respectivement bloquant et passant, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen voltmétrique (6, 7, 8; 42, 43, 48, 39) relié en entrée aux électrodes d'entrée et de sortie et sensible à un dépassement d'un seuil (26, 57) de la tension en entrée, seuil réglé au-delà du coude pour le niveau haut, pour émettre, à destination du générateur de paramètre de commande (5, 37), un signal de mise à l'état bas, le générateur de paramètre de commande étant apte à délivrer périodiquement à l'électrode de commande (4c; 33c, 34c), une impulsion brève (21, 51), en soustraction du niveau haut (20, 50). 2- Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément semi-conducteur est choisi parmi les transistors bipolaires, MOS, et bipolaires à grille isolée (IGBT). 3- Interrupteur selon l'une des revendications 1 et 2, pour une tension alternative, caractérisé en ce qu'il comporte deux éléments semi-conducteurs (33, 34) montés en série reliés par leurs électrodes d'entrée (33k, 34k) et chacun avec une diode (35, 36) montée tête-bêche entre les électrodes d'entrée et de sortie, les électrodes de commande (33c, 34c) étant attaquées en parallèle par le générateur de paramètre de commande (37) tandis que le moyen voltmétrique (42, 43, 48, 39) est attaqué en entrée par la tension entre électrodes de sortie (33a, 34a), les impulsions (51) délivrées par le générateur de paramètre de commande (37) étant synchronisées sur les crêtes de la tension entre électrodes de sortie. 4- Interrupteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen voltmétrique comporte deux chaînes d'amplification (42, 43) connectées en entrée chacune entre électrode de sortie et électrode d'entrée d'un élément semi-conducteur (33, 34), et reliées en sortie à deux entrées d'un additionneur (48). - Interrupteur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que, la tension alternative de source ayant une période connue, le générateur de paramètre de commande (37, 38) est sensible au passage à zéro de la tension entre électrodes d'entrée et de sortie du semi-conducteur (33, 34), et délivre l'impulsion brève aux électrodes de commande (33c, 34c) avec un retard d'un quart de période sur le passage à zéro précité.